Electronic Materials Research May.09,2009

問題1、請詳述離子感測場效電晶體,由來與發展?

<答>

     離子感測場效電晶體(Ion-Sensitive FieldEffect Transistor, ISFET) 也是其中之一。離子感測場效電晶體首先由P. Bergveld 於1970 年在IEEE 期刊中發表 [1]。ISFET的主要工作原理是將MOSFET 上的金屬閘極去除，放置在待測的水溶液中，使去除閘極金屬後所暴露之二氧化矽（SiO2）層和水溶液接觸，用於感測水溶液對二氧化矽層表面產生之介面電位，以達到感測水溶液離子之濃度的目的，簡單來說，ISFET 是一種電化學與微機電相結合之元件，其具有離子選擇電極（Ion selective electrode）的功能，也同時具有場效電晶體的特性，為一種與傳統的離子選擇電極截然不同的新型離子感測元件，具有與傳統電極所沒有之優點，例如：

1. 可微小化以進行微量量測。

2. 具有高輸入阻抗(約1012Ω)與低輸出阻抗(100~1000Ω)，

為一良好的阻抗交換器，可提高訊雜比。

3. 經由離子感測膜的減薄化，可大幅減少感測器響應時間。

4. 可以與MOSFET 製成相容，達到大量生產，降低成本。

正因以上之優點，造成在國內外廣泛的對離子感測場效電晶體的研究，感測器整體趨勢朝向小型化、積體化、多功能化、智慧化、系統化發展。故若能將化學分析技術結合半導體技術，利用此技術將元件微小化之後，更能使產品達到體積小、重量輕、可靠度高、精確度高、性能佳、成本低和大量生產等優點。

    氫離子感測是一切離子感測當中，最基礎也是最重要的；許多以ISFET 為基礎的生物晶片，也是利用酵素或催化劑將待測之大分子元素，轉換成氫離子，利用離子濃度的多寡，來判斷待測元素的濃度。本實驗室過去物理氣相沉積法中濺鍍(Sputter)方式，去沉積氧化鋅(ZnO)薄膜做為氫離子感測膜等研究,也是與NDL合作研究發表的主要計畫。

金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)

 

問題2、請詳述磁化水？

<答>

水通過強力磁場後，大分子團(H2O)n的水被磁場分割成雙分子(H2O)2或單分子H2O；磁化後水分子的氫氧鍵角從104.5°減小到103°左右，原子間磁距的方向改變而數值增加了，流體的性質因而改變。利用磁場磁能激活化水分子, 使大水分子團轉化成小分子，水就是磁化(小分子)活水

 

問題3、請簡述離子選擇性電極的類型及一般作用原理？

<答>

主要包括晶體膜電極;非晶體膜電極和敏化電極等.晶體膜電極又包括均相膜電極和非均相膜電極兩類,而非晶體膜電極包括剛性基質電極和活動載體電極,敏化電極包括氣敏電極和酶電極等.

晶體膜電極以晶體構成敏感膜,其典型代表為氟電極.其電極的機制是:由於晶格缺陷(空穴)引起離子的傳導作用,接近空穴的可移動離子運動至空穴中,一定的電極膜按其空穴大小、形狀、電荷分佈，只能容納一定的可移動離子，而其它離子則不能進入，從而顯示了其選擇性。

活動載體電極則是由浸有某種液體離子交換劑的惰性多孔膜作電極膜製成的。通過液膜中的敏感離子與溶液中的敏感離子交換而被識別和檢測。

 

 

問題4、請詳述電位測定法的根據 ？

<答>

    對於一個氧化還原體系:Ox  + ne- = Red

根據能斯特方程式:

E = E0Ox/Red + TR/nF log (aOx/aRed)

對於純金屬,活度為1,故上式變為:

 

 

可見,測定了電極電位,即可測定離子的活度(或濃度),

這就是電位測定法的理論依據.

 

問題5、請描述ISFET封裝結構?

<答>

    離子敏場效應電晶體(ISFET)自20世紀70年代問世以來，至今已發展成為一種具有強大生命力的電化學感測器，具有靈敏度高、回應快、檢測時無須標記、易於微型化、集成化和批量生產等優點。Matsuo等人於1978年提出了參比場效應管RE-FET的概念，ISFET／REFET差分結構可消除共模信號對測量結果的於擾。隨著標準CMOS工藝的飛速發展，微型化和集成化是ISFET的發展趨勢，ISFET生化感測器集成晶片系統(SOC)將廣泛應用於生物醫療、食品以及環境檢測等領域。

    在基於標準CMOS工藝的ISFET／REFET差分結構生化微傳感集成晶片設計過程中，採用EDA模擬工具對ISFET器件和器件所在的積體電路結合進行模擬，可以為晶片設計提供理論指導並縮短設計週期。目前類比電路通用模擬工具HSPICE的內建模型庫中沒有ISFET的器件模型，需要建立與標準CMOS電路相容的ISFET宏觀模型。已有的文獻對ISFET器件進行的HSPICE模擬大多只分析了器件的靜態特性，不能模擬器件的滯後回應和遲滯效應等動態特性，並且這些文獻多為對傳統結構ISFET的特性進行分析，沒有建立懸浮柵結構ISFET的行為模型。本文建立了懸浮柵結構ISFET器件的動態行為模型，對器件的動態特性及其所在差分放大電路的輸出特性進行模擬。通過分析模擬的結果，得到對ISFET／REFET差分結構的生化感測器SOC晶片沒計具有指導意義的結論。

2 ISFET集成晶片設計

    傳統ISFET器件的柵極在氧化層上只澱積一層離子敏感膜，而沒有標準MOSFET器件柵極的多晶矽層。為了借助標準CMOS工藝實現ISFET結構，目前感測器多採用懸浮柵結構(如圖1)，在柵極氧化層之上保留多晶矽層，並通過引線使其與外界的金屬層相連作為“懸浮”的柵電極。懸浮柵結構的優勢在於與標準CMOS工藝相容並便於實現封裝，但會引入互聯線寄生電阻和電容。針對這種懸浮柵結構的ISFET進行HSPICE模擬，需要建立它特有的行為模型。

    將感測器晶片設計成“ISFET-REFET-鉑准參比電極”的差分對管集成結構。ISFET與REFET的回應信號通過晶片上集成的電路放大並差分輸出，能抑制溫漂、系統雜訊等共模信號對測量結果的干擾。但是，晶片的動態回應延遲時間較長，存在遲滯效應。這些因素影響到動態輸出，使差分對管很難同時達到穩定輸出狀態，影響了對差分輸出信號的測量，需要在晶片設計中改進其動態輸出特性。採用EDA模擬工具對晶片進行輔助設計十分必要。本文採用HSPICE軟體，對懸浮柵結構ISFET器件的動態特性進行模擬，為下一步的晶片設計提供理論指導。

 

問題6、請詳述電力場效應管的結構和工作原理?

<答>

    電力場效應電晶體種類和結構有許多種，按導電溝道可分為P溝道和N溝道，同時又有耗盡型和增強型之分。在電力電子裝置中，主要應用N溝道增強型。

　  電力場效應電晶體導電機理與小功率絕緣柵MOS管相同，但結構有很大區別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴散形成的器件，導電溝道平行於晶片表面，橫向導電。電力場效應電晶體大多採用垂直導電結構，提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。按垂直導電結構的不同，又可分為2種：V形槽VVMOSFET和雙擴散VDMOSFET。

　  電力場效應電晶體採用多單元集成結構，一個器件由成千上萬個小的MOSFET組成。N溝道增強型雙擴散電力場效應電晶體一個單元的部面圖，如圖1(a)所示。電氣符號，如圖1(b)所示。

　  電力場效應電晶體有3個端子：漏極D、源極S和柵極G。當漏極接電源正，源極接電源負時，柵極和源極之間電壓為0，溝道不導電，管子處於截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓UGS，並且使UGS大於或等於管子的開啟電壓UT，則管子開通，在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大，導電能力越強，漏極電流越大。

 

問題7、請詳述為何MOSFET以 N通道為主?

<答>

MOSFET選擇
    MOSFET有兩大類型：N通道和P通道。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開關。當在N通道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。導通時，電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻，稱為導通電阻RDS（ON）。必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個電壓。如果柵極為懸空，元件將不能按設計意圖工作，並可能在不恰當的時刻導通或關閉，導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關關閉，而電流停止通過元件。雖然這時元件已經關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。
第一步步：選用N通道還是P通道
    為設計選擇正確元件的第一步是決定採用N通道還是P通道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到幹線電壓上時，該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應採用N通道MOSFET，這是出於對關閉或導通元件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到匯流排及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓墣中採用P通道MOSFET，而此也是出於對電壓驅動的考慮。
    要選擇適合應用的元件，必需確定驅動元件所需的電壓，以及在設計中最簡易執行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者元件所能承受的最大電壓。額定電壓越大，元件的成本就越高。根據實踐經驗，額定電壓應當大於幹線電壓或匯流排電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言，必需確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設計人員必需在整個工作溫度範圍內測試電壓的變化範圍。額定電壓必須有足夠的餘量覆蓋這個變化範圍，確保電路不會失效。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備（如電機或變壓器）誘發的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，可攜式設備為20V、FPGA電源為20-30V、85VAC-220VAC應用為450V-600V。
第二步：確定額定電流
第二步是選擇MOSFET的額定電流。視乎電路結構而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必需確保所選的MOSFET能承受這個額定電流，即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈衝尖峰。在連續導通模式下，MOSFET處於穩態，此時電流連續通過元件。脈衝尖峰是指有大量電湧（或尖峰電流）流過元件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的元件便可。
    選好額定電流後，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET並不是理想的元件，因為在導電過程中會有電能損耗；這稱之為導通損耗。MOSFET在「導通」時像一個可變電阻，由元件的RDS（ON）所確定，並隨溫度而顯著變化。元件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計算，由於導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會越小；反之RDS（ON）就會越高。對系統設計人員來說，這就是取決於系統電壓而需要折衷權衡的地方。對可攜式設計來說，採用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對於工業設計，可採用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會隨著電流輕微上升。關於RDS（ON）電阻的各種電氣參數變化可在製造商提供的技術資料表中查到。
    技術對元件的特性有著重大影響，因為有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS（ON）增大。對於這樣的技術，如果打算降低VDS和RDS（ON），那麼就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關的開發成本。業界現有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術，其中最主要的是通道和電荷平衡技術。
    在通道技術中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，用於降低導通電阻RDS（ON）。為了減少最大VDS對RDS（ON）的影響，開發過程中採用了外延生長柱／蝕刻柱製程。例如，快捷半導體開發了稱為SuperFET的技術，針對RDS（ON）的降低而增加了額外的製造步驟。這種對RDS（ON）的關注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS（ON）會隨之呈指數級增加，並且導致晶片尺寸增大。SuperFET製程將RDS（ON）與晶片尺寸間的指數關係變成了線性關係。這樣，SuperFET元件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現理想的低RDS（ON）。結果是晶片尺寸可減小達35％。而對於最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。
第三步：確定熱要求
    選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必需考慮兩種不同的情況：即最壞情況和真實情況。建議採用針對最壞情況的計算結果，因為這個結果提供更大的安全餘量，能確保系統不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量資料；比如封裝元件的半導體結與環境之間的熱阻，以及最大的結溫。

 

問題8、請描述滯後現象?

<答>

    遲滯現象（Hysteresis），或稱滯後現象，指一系統的狀態(主要多為物理系統)，不僅與當下系統的輸入有關，更會因其過去輸入過程之路徑不同，而有不同的結果。換句話說，一系統經過某一輸入路徑之運作後，即使換回最初的狀態時同樣的輸入值，狀態也不能回到其初始。例如一塊黏土放在手上，捏壓之後不再施力，此時受力與先前放在手上可視為相同，但是卻已不是先前形態了，而不同捏壓的方法，也會得到不同的形態。 常見的物理遲滯如：磁滯現象、電遲滯現象、彈性遲滯、液固相變遲滯、接觸角遲滯現象等。

 

問題9、請描述微機械加工技術Micro machining?

<答>

    在微機電系統領域裡，這種透過平面工藝來製造微米尺寸的機械元件的技術，一般稱之為微機械加工技術 (Micromachining technology)。雖然和前述的各種加工技術同樣是屬於平面工藝這個家族裡的一員，微機械加工技術所扮演最關鍵且最具特色的一點，即是提供懸浮的或者是可動的機械元件，例如樑、板、齒輪、連桿等。未來如果這一家族欲透過平面加工技術，單石化地 (monolithically)整合生、光、機、電、磁等元件於同一晶片，以開發具有多功能的系統晶片(System on chip，或簡稱SOC，這裡指的是廣義的系統晶片，亦即不僅整合電路，可能還整合其他生、光、機、電、磁等元件於同一晶片)，或者是模組化地以封裝或打線的方式整合這些生、光、機、電、磁等元件來建構系統 (System in packaging, 或簡稱SIP)，則可提供機械元件的微機械加工技術將扮演舉足輕重的角色。
        談到製程平台，許多人會直接聯想到台積電或者是聯電這些晶圓代工廠建立的CMOS標準製程，透過標準製程可將各家電路設計公司 (Design house)的多種電晶體等電子元件的設計和佈局，製造與整合在矽基材，產生各種不同功能的應用。至於微機械加工的製程平台，最廣為人知的當屬於MEMSCAP 公司 (原為 JDS Uniphase's CRONOS) 的 MUMPs (Multi-User MEMS Processes) 面型微加工技術 (surface micromachinign)，然而，必須具備什麼特色才能符合微機械加工製程平台的條件，是一個見仁見智的問題。由於機械動件可說是微機電技術最具特色的部分，若從傳統機械器件的角度來探討動態系統，其主要包括驅動元件(如汽車的引擎)，動力傳輸機構(如汽車的連桿、變速箱等)，及功能性被動元件(如輪胎)；同理，微動態系統亦可粗略地區分為驅動元件、動力傳輸機構、以及被動元件。因此筆者認為，一個完整的微機械加工製程平台必須具備製造及整合驅動元件、動力傳輸機構、以及功能性從動元件的能力。

 

問題10、請描述MEMS?

<答>

微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)，其定義為一個智慧型微小化的系統，包含感測、處理或致動的功能，包含兩個或多個電子、機械、光學、化學、生物、磁學或其他性質整合到一個單一或多晶片上。其應用領域極為廣泛，包括製造業、自動化、資訊與通訊、航太工業、交通運輸、土木營建、環境保護、農林漁牧等。

 What is MEMS Technology?

    Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) is the integration of mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a common silicon substrate through microfabrication technology. While the electronics are fabricated using integrated circuit (IC) process sequences (e.g., CMOS, Bipolar, or BICMOS processes), the micromechanical components are fabricated using compatible "micromachining" processes that selectively etch away parts of the silicon wafer or add new structural layers to form the mechanical and electromechanical devices.

MEMS promises to revolutionize nearly every product category by bringing together silicon-based microelectronics with micromachining technology, making possible the realization of completesystems-on-a-chip. MEMS is an enabling technology allowing the development of smart products, augmenting the computational ability of microelectronics with the perception and control capabilities of microsensors and microactuators and expanding the space of possible designs and applications.

Microelectronic integrated circuits can be thought of as the "brains" of a system and MEMS augments this decision-making capability with "eyes" and "arms", to allow microsystems to sense and control the environment. Sensors gather information from the environment through measuring mechanical, thermal, biological, chemical, optical, and magnetic phenomena. The electronics then process the information derived from the sensors and through some decision making capability direct the actuators to respond by moving, positioning, regulating, pumping, and filtering, thereby controlling the environment for some desired outcome or purpose. Because MEMS devices are manufactured using batch fabrication techniques similar to those used for integrated circuits, unprecedented levels of functionality, reliability, and sophistication can be placed on a small silicon chip at a relatively low cost.