(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル信号処理回路であって、
１以上のＣＭＯＳスイッチを備え、前記１以上のＣＭＯＳスイッチの各々は、イオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化膜半導体トランジスタを含み、
前記イオン感応電界効果トランジスタは、論理素子として用いられる、デジタル信号処理回路。
【請求項２】
前記イオン感応電界効果トランジスタは、モニタされる媒体に使用中露出されるように構成される、検体感受性のある膜を含む、請求項１に記載のデジタル信号処理回路。
【請求項３】
前記デジタル信号処理回路は、イオン感応電界効果トランジスタトランジスタによって測定されたパラメータ値をしきい値と比較するためのコンパレータとして動作するよう構成され、イオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化膜半導体トランジスタは、インバータ構成に配置される、請求項１または２に記載のデジタル信号処理回路。
【請求項４】
イオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化膜半導体トランジスタの一方はｎ−チャネル装置であって、他方はｐ−チャネル装置である、請求項１〜３のいずれかに記載のデジタル信号処理回路。
【請求項５】
デジタル信号処理回路は、関数ＡＮＤ、ＮＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、およびＮＯＲのうち１つ以上を実現するよう配列される、請求項１または２に記載のデジタル信号処理回路。
【請求項６】
デジタル信号処理回路は、弱反転領域の前記イオン感応電界効果トランジスタにバイアスをかけるためのバイアス手段を含む、請求項１から５のいずれかに記載のデジタル信号処理回路。
【請求項７】
前記１以上のＣＭＯＳスイッチの各々は、モニタされる媒体に露出可能な参照電極をさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載のデジタル信号処理回路。
【請求項８】
前記参照電極へ与えられる固定電圧は、ＣＭＯＳスイッチのスイッチングが生じたときにしきい値を設定する、請求項７に記載のデジタル信号処理回路。
【請求項９】
前記１以上のＣＭＯＳスイッチの各々は、２以上のイオン感応電界効果トランジスタを含む、請求項１〜８のいずれかに記載のデジタル信号処理回路。
【請求項１０】
前記イオン感応電界効果トランジスタは、異なるイオン濃度をコード化するように異なる媒体および電極に露出可能である、請求項１〜９のいずれかに記載のデジタル信号処理回路。
【請求項１１】
異なるイオン濃度から抽出されるデジタル信号を与える出力線をさらに含む、請求項１０に記載のデジタル信号処理回路。
【請求項１２】
媒体のパラメータの値を入力の１つとして有する論理関数を評価する方法であって、
論理回路のスイッチとしてイオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化膜トランジスタを含むＣＭＯＳスイッチを与えるステップと、
ＣＭＯＳスイッチをスイッチングするためにイオン感応電界効果トランジスタを前記媒体に露出するステップと、
ＣＭＯＳスイッチ動作から抽出されるデジタル信号を出力するステップとを含み、前記デジタル信号は、入力の１つとして前記媒体のパラメータの値を有する論理関数の評価であり、前記イオン感応電界効果トランジスタは、論理素子として用いられる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、イオン感応電界効果トランジスタに関し、イオン感応電界効果トランジスタを利用する処理システムおよび制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
イオン感応電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）は、化学感受性絶縁体の下に位置する遠隔ゲート（または「参照電極」）を有するＭＯＳＦＥＴに基づく。絶縁体の表面は電解質に露出され、その上で測定がなされる。典型的なＩＳＦＥＴ使用のシナリオが図１に示される。絶縁体表面でのイオン電荷相互作用の電界効果は、図２に示されるように、ＩＳＦＥＴドレイン電流対ゲート−ソース電圧（ＩD−ＶGS）特性にシフトを引起す。電解質に接触する絶縁体は、その化学的特性および特定のイオンに対する感度に従って選択される。
【０００３】
電解質のｐＨ、すなわち電解質のＨ+イオン容量を測定するよう設計されるＩＳＦＥＴについては、ゲートを絶縁するために、一般に窒化ケイ素膜および酸化アルミニウム膜が用いられる。イオン感受性膜の選択を通じてＩＳＦＥＴにＨ+以外のイオンに対する感受性をもたせることができ、それによりイオン選択性の要素を加えることができる。膜が特定のイオン種に選択的になるよう調整されるＩＳＦＥＴは、ＣｈｅｍＦＥＴとして公知であり、膜表面の近傍に酵素を用いる、ＥｎＦＥＴとして知られるさらなる変形を有する。調整されないＳｉ3Ｎ４膜を有する従来のｐＨ−ＩＳＦＥＴでさえ、Ｋ+イオンおよびＮａ+イオンに対し、限定的だが測定可能な感度を示すこともわかっている。とはいうものの、ＩＳＦＥＴをｐＨ感知に応用する以外の実用的かつ商用的な応用例は稀である。しかしながら、以下の説明において、ＩＳＦＥＴという用語は、特にｐＨセンサと、一般に同様の原理で動作するすべてのイオン感受性ＦＥＴおよび酵素感受性ＦＥＴとを指すための両方に用いられる。
【０００４】
ＩＳＦＥＴおよびその対応するＦＥＴベースのものの魅力は、それらがコンピュータチップの大量生産に利用される標準的製作プロセスと互換性を有し、そのため高い信頼性とコスト効率とをもって生産できる点である。ＩＳＦＥＴ装置自体と同じチップ上に処理回路を一体化することができるのが重要である。感知装置自体に知能回路を一体化することは、理想的でない感知条件に対するロバスト性を必要とする、いわゆる「スマートセンサ」の開発に必要であり、かつ「オンチップ」で化学物質を区別するための電子工学部品をもたらす。
【０００５】
ＩＳＦＥＴの通常運転モードは、ＩD−ＶGS特性の強反転領域である。この領域では、ゲート−ソース電圧はしきい電圧ＶTHを超え、その結果ゲートの基礎となるチャネルの強反転となる。この運転モードについては、ドレイン電流はゲート電圧と二乗則または線形関係で関連する。
【０００６】
図１を再び参照すると、ＩＳＦＥＴの参照電極に加えられたいかなる電圧も電解質を通じて絶縁体表面に容量結合され、ここでこの界面上のイオンからのｐＨ依存荷電がチャネル電流を変調してＩＳＦＥＴ変換特性に観察されるシフトを引起こし、それによりそのしきい電圧ＶTHを変調する。ＩＳＦＥＴが一定のドレイン電流モード、一定のドレイン−ソース電圧で動作していると仮定すると、ゲート−ソース電圧はゲート界面におけるｐＨ感受性界面電位を直接に反映する。すなわち、
ｐＨ＝ｐＨcal＋Ｖgs／Ｓ                                                  （１）
であって、ここでｐＨcalは、３７ｏＣの較正液のｐＨであり、ＳはＩＳＦＥＴのｐＨ感度である。この関係式の導出は、２００３年１０月トロントにおけるＩＥＥＥセンサ会議（IEEE Sensor Conference）のＰ  バーグベルド（P. Bergveld）による「ＩＳＦＥＴ、理論および実践（ISFET, Theory and Practice）」にさらに詳述される。しかしながら、この手法は一定温度を仮定しており、いずれの実際の手法においても温度補償が適用されなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−７２７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
温度効果の測定値を補償するための従来の手法によれば、システムの温度依存性をモデル化し、ｐＨと並行して温度を測定し、測定されたｐＨをそのモデルおよび測定された温度に基づいて修正する。この手法は有効である一方、いくつかの不利益を有する。第１にこれは、典型的にはＩＳＦＥＴと同じチップ上に一体化された温度感応レジスタを含む温度センサを与えることに依存している。第２には、修正を実行するために処理能力が与えられなければならない。第３に、測定されたｐＨ値を修正するプロセスには時間がかかる。典型的なシステムでは、ｐＨ値および温度値は、マイクロプロセッサまたはＣＰＵを用いてさらなる処理を行う前に、そのデジタル等価物に変換される。必要であれば、デジタル制御出力は、制御される装置に適用される前にアナログ等価物に変換される。
【０００９】
ＩＳＦＥＴが用いられ得る主要な領域は、移植可能かつ着用可能なセンサの領域であることが長年認識されてきた。前のパラグラフで概説された従来のＩＳＦＥＴ設計の要件は、小さく、電力消費が低レベルで、極めて正確であることを要求するセンサにはうまく適合しない。たとえば薬剤送達システムの制御など、特にセンサが制御ループの一部を形成する場合には、センサも極めて正確でなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の要約
本発明の第１の局面によれば、１つ以上のイオン感応電界効果トランジスタと、弱反転領域で動作するよう前記または各々のイオン感応電界効果トランジスタにバイアスをかけるためのバイアス回路とを含む信号処理回路が与えられる。
【００１１】
本発明の実施例は、前記または各々のイオン感応電界効果トランジスタの出力が、イオン感応電界効果トランジスタ固有の特性によって、感知されたイオンについて温度効果が補償されるという重要な利点を有する。
【００１２】
好ましくは信号処理回路は、イオン感応電界効果トランジスタのゲート電圧に比例した電流を生成するための手段を含む。
【００１３】
好ましくは、前記または各々のイオン感応電界効果トランジスタおよびバイアス回路は、シングルチップ上に一体化される。
【００１４】
信号処理回路は、使用中、イオン感応電界効果トランジスタが露出される媒体の水素イオン濃度を決定するよう構成されてもよい。
【００１５】
好ましくは、信号処理回路は、前記または各々のＩＳＦＥＴに結合された１つ以上のＭＯＳＦＥＴ装置と、弱反転モードで動作するよう前記または各々のＭＯＳＦＥＴにバイアスをかけるためのバイアス回路とを含む。より好ましくは、ＩＳＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、およびバイアス回路は、シングルチップ上に一体化される。
【００１６】
信号処理回路は１つ以上のバイポーラトランジスタを含んでもよい。
信号処理回路のイオン感応電界効果トランジスタは、電流ミラー配列の金属酸化物半導体トランジスタに結合されてもよい。好ましくは、イオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化物半導体トランジスタは実質的に電気的に整合され、双方が弱反転モードで動作する。
【００１７】
本発明の一定の実施例では、ＩＳＦＥＴはゲート上に膜コーティングを含み、膜は、膜が露出される電解質中の水素イオン濃度に対して感受性を有する。
【００１８】
信号処理回路は、電流ミラーの出力を受取って電流ミラーの出力信号を反転するよう配置された乗算器分周回路を含んでもよく、それにより水素イオン濃度に正比例する出力信号を与える。
【００１９】
本発明の第２の局面によれば、イオン感応電界効果トランジスタを用いて媒体の性質をモニタする方法が与えられ、方法は、
弱反転領域のイオン感応電界効果トランジスタにバイアスをかけるステップと、
イオン感応電界効果トランジスタを前記媒体に露出するステップと、
前記性質に依存して変動するイオン感応電界効果トランジスタの出力を分析するステップとを含む。
【００２０】
好ましくは、イオン感応電界効果トランジスタの出力電流を分析する前記ステップは、モニタされているパラメータ値に比例する電流を導出するステップを含む。
【００２１】
本発明の第３の局面によれば、デジタル信号処理回路が与えられ、回路の１つ以上のスイッチがイオン感応電界効果トランジスタによって与えられる。
【００２２】
前記または各々のイオン感応電界効果トランジスタは、モニタされる媒体に使用中露出される、検体感受性のある膜を含む。
【００２３】
デジタル信号処理回路は、イオン感応電界効果トランジスタによって測定されたパラメータ値をしきい値と比較するためのコンパレータであってもよく、回路は、インバータ構成に配置されたイオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化物半導体トランジスタを含む。好ましくは、イオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化物半導体トランジスタの一方はｎ−チャネル装置であって、他方はｐ−チャネル装置である。
【００２４】
デジタル信号処理回路は、関数ＡＮＤ、ＮＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、およびＮＯＲのうち１つ以上を実現するよう配列されてもよい。
【００２５】
好ましくは、デジタル信号処理回路はＣＭＯＳ論理を用いる。代替的には、ＮＭＯＳまたはＰＭＯＳ論理を用いてもよい。
【００２６】
好ましくは、デジタル信号処理回路は、弱反転領域の前記または各々のイオン感応電界効果トランジスタにバイアスをかけるためバイアス手段を含む。
【００２７】
本発明の第４の局面によれば、媒体のパラメータの値を入力の１つとして有する論理関数を実現する方法が与えられ、方法は、
イオン感応電界効果トランジスタを論理回路のスイッチとして動作するよう構成するステップと、
イオン感応電界効果トランジスタを前記媒体に露出するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】典型的な使用シナリオにおけるＩＳＦＥＴを概略的に示す図である。
【図２】図１のＩＳＦＥＴのＩD−ＶGS特性をさまざまなｐＨレベルで示す図である。
【図３】ｐ−チャネルシリコンＭＯＳＦＥＴを概略的に示す図である。
【図４】ＩＳＦＥＴを含む電流ミラーを示す図である。
【図５】水素イオン濃度を測定するためのＨＣｅＩＩを示す図である。
【図６】図５のＨｃｅｌｌのＩＶ特性を示す図である。
【図７】ＣＭＯＳインバータを概略的に示す図である。
【図８】図７のインバータのスイッチング特性を示す図である。
【図９】ＩＳＦＥＴを含むＣＭＯＳインバータのｐＨを変更することにより引起こされるスイッチングしきい値のシフトを示す図である。
【図１０】異なる入力電圧におけるＩＳＦＥＴインバータのスイッチング特性を示す図である。
【図１１】ＩＳＦＥＴベースのＮＡＮＤゲートおよび対応する真理表を示す図である。
【図１２】ＩＳＦＥＴベースのＮＯＲゲートおよび対応する真理表を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
発明の詳細な説明および実施例
図３に示されたようなｎ−チャネルＦＥＴは４端末装置であって、ｐ−型シリコン基板（Ｂ）と、ソース（Ｓ）およびドレイン（Ｄ）として公知の、高度にドープされた２つのｎ−型ウェルとから構成される。シリコン表面は二酸化ケイ素絶縁体で覆われている。ポリシリコンゲート接触（Ｇ）は、チャネルとして公知の、ソースとドレインとの間の絶縁体表面下の領域内の電荷を制御する。
【００３０】
ゲートに印加される電圧ＶGが増大されるにつれて、正電荷は最初にチャネルから退けられ、可動電荷キャリヤのない空乏層および正味の負電荷を形成する。ゲート電圧がさらに増大されるにつれて、この空乏層は、電子がソースおよびドレインからチャネルへ引出されて反転層を形成し始めるまで広がる。トランジスタは通常、一定のしきい電圧より高い電圧で動作し、チャネルがそこへ強反転されて、ドレインとソースとの間に電位差が与えられると、反転層中の可動電子はチャネルにわたりドリフトする。すでに述べたように、この運転モードについては、ドレイン電流はゲート電圧と二乗則または線形関係で関連する。
【００３１】
いわゆる「弱反転」運転モードは、チャネルが消耗して薄い反転層だけが存在するよう、ゲート電圧をしきい電圧より低く維持することを含む。弱反転では、薄い反転層中の可動電荷はあまりにも少ないので、水平電界にわたるドリフト電流に有意に寄与することができない。弱反転でのドレイン電流は、ソースとドレインとの間の濃度勾配にわたっての電子の拡散に起因する。ソースおよびドレインにおける、ならびにチャネルに沿った電子濃縮が、それらの点においてボルツマン分布で障壁電位と関連するので、次にドレイン電流は、Ｖｓ、ＶｄおよびＶｂに相対するＶｇに指数関数的に関連し、熱電圧ＵT＝ｋＴ／ｑまたはＲＴ／Ｆによってスケールが変化する。すなわち、以下のとおりである。
【００３２】
【数１】
0005509118.tif 000002
【００３３】
ここでI0は指数関数に前置される乗数であって、ｎはサブスレショルドスロープ係数である。
【００３４】
ＩＳＦＥＴについては、参照電極は遠隔ゲートとして作用し、ＳｉＯ2絶縁体の上面に堆積した化学感受性膜は試料溶液に直接に露出される。絶縁体の下のチャネルにおける反転の程度は、参照電極に印加される電圧のみならず、溶液のイオンからの電荷の感知膜上の蓄積にも依存する。膜表面におけるイオンの積層は、部位結合およびグイ−チャップマン（Gouy-Chapman）二重層モデルによって試料中のイオン種の濃縮と関連する。膜表面上のいかなる正電荷の積層も、チャネルの負電荷の積層によって反射されなければならないので、試料のイオン濃度の変化はＩＳＦＥＴの弱反転ドレイン電流に直接反映される。
【００３５】
膜表面電荷と種濃縮との関係がわかっているということは、弱反転ＩＳＦＥＴ電流が膜表面電荷に比例するという事実と合わせると、簡単な数学的操作を実行する電子回路を用いれば、ＣｈｅｍＦＥＴｓおよびＥｎＦＥＴｓにおいてさえ、種濃縮と電流との直接の関係を得ることができることを意味する。さらに、チャネルの電子と溶液のイオンとの両方の、温度で変化するボルツマン分布が互いに打ち消すので、弱反転ＩＳＦＥＴ電流のイオン濃度に対する感度は温度に依存しない。
【００３６】
弱反転領域においてバイアスされたＭＯＳＦＥＴのドレイン電流についての大信号方程式は、以下によって与えられる。
【００３７】
【数２】
0005509118.tif 000003
【００３８】
ここで、β＝ＫＷ／Ｌであって、ＶTOは、ＶBS＝０のときのしきい電圧であり、ｎはサブスレショルドスロープ係数であって、ＶDS＞４ＵTのとき飽和が仮定される。この方程式は弱反転されたＩＳＦＥＴにも適用される。なぜならば、ｐＨに直線的に比例する電解質にわたる電位によって、すべての付加的な化学的現象が、そのしきい電圧の変調として表わされるからである。ｐＨは指数関数的に水素イオン濃度と関連するので、水素イオン濃度と弱反転ドレイン電流との直接の関係を生成することができる。
【００３９】
水素イオン濃度はｐＨよりもさらに自然な信号処理用パラメータなので、電解質にわたる電位を抽出してそれを弱反転電流信号に変換するいかなる回路も、リアルタイムの化学信号処理にとって著しく興味深い。図４に示される電流ミラーは、このような回路の中で最も簡単なものである。
【００４０】
図４におけるように、ダイオード接続されたＩＳＦＥＴが電流ソースでバイアスをかけられ、その参照電極がＭＯＳＦＥＴのゲートに接続された場合、幾何学的かつ電気的に整合した装置を仮定してΔＶDS誤差を無視すると、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴとの間のΔＶthのためにＩ1≠Ｉ2となり、これは（１）よりＶchemと等しいことがわかる。
【００４１】
完全に整合され、飽和した装置について方程式（３）を用いると、以下のようになる。
【００４２】
【数３】
0005509118.tif 000004
【００４３】
ｐＨと水素イオン濃度との対数関係式ｐＨ＝−ｌｏｇ10［Ｈ＋］に代入すると、電流比ＩD2／ＩD1が水素イオン濃度の公知のべき乗に比例し、温度効果に依存しないことがわかる。
【００４４】
【数４】
0005509118.tif 000005
【００４５】
この重要な結果は、弱反転されたＩＳＦＥＴのドレイン電流が、そのゲート−ソース電位およびバルクソース電位によって指数関数的に制御され、かつ、水素イオン濃度の公知のべき乗（０＜α＜１かつｎ＞１なので、単位数未満である）に比例する、温度依存しないパラメータによって変化することを示す。
【００４６】
【数５】
0005509118.tif 000006
【００４７】
弱反転領域においてバイアスされたＩＳＦＥＴは、その温度非感受性に起因して、化学センサの変換段階で使用するのに理想的である。オンチップ処理回路について弱反転のＭＯＳＦＥＴを用いることも有利である。なぜならば、ドレイン電流と端子電圧との指数関数的関係が生成されることができ、非常に簡単な低電力回路を用いた数学的操作を実現するからである。
【００４８】
［Ｈ＋］に正比例する出力電流を得るために、方程式（５）のさらなる操作がいくつか必要である。相互コンダクタンスとサブスレショルドＭＯＳトランジスタのドレイン電流との間に線形の関係を生成するトランスリニア回路を用いて（この関係を示すバイポーラトランジスタが代替的に、または追加的に用いられてもよいが）、電流信号に対して乗算、除算およびべき乗則関数を実行することができる。
【００４９】
図５に示された回路は入力段の例として示され、その出力は、電解質のバルクにおいてＨ＋イオン（プロトン）の数に正比例する電流ＩOUTである。この回路はここで「ＨＣｅｌｌ」と呼ばれる。これは、真の化学的パラメータを直接得るために、弱反転の電界効果トランジスタの指数関数的挙動を生成することがいかに適切かを例示する。ＨＣｅＩＩに用いられるＩＳＦＥＴのイオン感受性膜は、そのｐＨ感度がα／ｎ＝０．５を与えるように化学的に調整されている。
【００５０】
飽和を仮定してΔＶDS誤差を無視した場合、方程式（３）から、ＩＳＦＥＴ  Ｘ２およびＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１の間のドレイン電流が以下のように関連付けられることが示され得る。
【００５１】
【数６】
0005509118.tif 000007
【００５２】
図５に示される回路については、等しい装置寸法およびグラウンドに接続されたバルクを備えた幾何学的かつ電気的に整合した装置を仮定すると、方程式（７）は以下のようになる。
【００５３】
【数７】
0005509118.tif 000008
【００５４】
Ｍ１とＸ２との両方が弱反転で動作するようにバイアス点を設定するために、基準電圧Ｖrefが用いられる。ｐＨ入力範囲に対する制限は、動作可能な弱反転領域の電圧範囲およびｐＨ感度Ｓである。約４００ｍＶのＶGSの範囲の弱反転領域については、５０ｍＶ／ｐＨの感度を有する典型的なＩＳＦＥＴは、７または８ｐＨ単位のダイナミックレンジを有する。
【００５５】
トランジスタＭ３からＭ６はトランスリニア原理を用いてトランスリニアループを形成し、それについては以下の関係式が得られる。
【００５６】
【数８】
0005509118.tif 000009
【００５７】
（８）からの結果に代入すると、以下のとおりである。
【００５８】
【数９】
0005509118.tif 000010
【００５９】
Ｉｂ１＝ｌｂ２と設定すると、電流比Ｉｏｕｔ／ｌｂ１と［Ｈ＋］との直接の関係式が得られる。
【００６０】
【数１０】
0005509118.tif 000011
【００６１】
信号処理に対するこのレシオメトリックな手法によれば、装置が近傍にあると仮定して回路の温度依存性を減じる。絶対温度比例（ＰＴＡＴ）基準電圧Ｖrefを用い、Ｋchemとαとが一次近似で温度依存しないと仮定すると、電流比が固有の温度補償を伴って水素イオン濃度に正比例することが理解される。
【００６２】
図５の回路は、ｐＨpzc＝３かつ完全に線形のｐＨ感度（すべてのｐＨおよび温度について定数α）を有する窒化ケイ素ＩＳＦＥＴについてのマーティノイア（Ｍａｒｔｉｎｏｉａ）マクロモデルの簡略バージョンを用いて、ＡＭＳ０．８μ技術でシミュレートされた。ｎ〜１．４３であって、かつαが、Ｔ＝３００Ｋにおいて４２．６ｍＶ／ｐＨの感度に対応して０．７１５であるよう選択されたことがわかっている。
【００６３】
Ｖｄｄ＝１．８Ｖ、ｌｂ１＝ｌｂ２＝１０ｎＡであって、かつ動作領域をｐＨ７中心にするためにＶｒｅｆが５０ｍＶになるよう選択された。図６に示された出力電流は、ｐＨ５から９について優れた線形を示し、そこで
【００６４】
【数１１】
0005509118.tif 000012
【００６５】
である。Ｘ２およびＭ１については大きな寸法（Ｗ＝４３２μｍ、Ｌ＝８μｍ）が選択されて、整合誤差の影響を最小限にする。トランジスタＭ３からＭ６のＷ／Ｌは４０μｍ／８μｍであった。
【００６６】
本願明細書に提示される原理を、各々が異なるイオン濃度をコード化するいくつかのＩＳＦＥＴを有する回路に拡張すると、積、商およびイオン濃度のべき乗則関係を伴ういかなる化学反応式もリアルタイムで処理することが可能になる。バルクまたは「バックゲート」をトランスリニア操作に対する第２の入力として使用することによってＩＳＦＥＴの４つの端子すべてを利用することは、これらの原理の柔軟性をさらに高める。さらに、キャパシタを含むことにより、反応動力学微分方程式の分野全体に対してこの原理を広げる。
【００６７】
ＩＳＦＥＴ−ＭＯＳＦＥＴミラーは最も簡単な電流モード入力段であって、化学的現象によってもたらされたしきい電圧変調を電流に変換することがいかに適切かを示すためにここに示されている。この構成中のＭＯＳＦＥＴを、ほぼｐＨ非感受性のＩＳＦＥＴ（ＲＥＦＥＴとして公知である）に置換することにより、ソリッドステート疑似参照電極の使用が可能になる。なぜならば不安定で未知の電極電位がＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴとの両方に共通しており、かつ電流ミラートポロジで打ち消されるからである。しきい電圧ΔＶTHの差は、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴとの間でよりも、ＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴの間でより小さく、ΔＶDS誤差を減少させ、必要なＶbiasを減じ、そのために消費電力を減じる。整合を向上することも可能である。より高いＳＮＲを有するより強固な回路については、完全微分入力段が用いられるべきである。
【００６８】
膜の選択性を用いた化学的識別を越えたトランジスタ適用例の弱反転動作に基づくスマートセンシングの概念は、以下を含む：
・リアルタイム反応モニタリングおよび分析的データ処理
・ＤＮＡ塩基配列決定
・当量点に達するよりもかなり前の、求められる分析的な情報を抽出するための動力学モデルを用いた高速の酸塩基滴定
・調整可能なしきい値を備えた論理（真／偽）装置としてＩＳＦＥＴおよび他のセンサを直接用いた「化学的決定木」の実現
・血液および尿の代謝物質比率のリアルタイムのモニタリングを用いた医学的診断
・神経ブリッジ
・不純物検出。
【００６９】
弱反転で動作するＩＳＦＥＴは、トランスデューサ入力段に使用するのに好適であることに加えて、化学的に関連する信号のデジタル処理のための基礎的なビルディングブロックを与えることができる。
【００７０】
図７に示された標準的なＣＭＯＳインバータは、弱反転領域で動作した場合、図８に示される電圧変換特性を有する。弱反転領域については、飽和において、ＶBS＝０と仮定すると、ドレイン電流は以下によって与えられる。
【００７１】
【数１２】
0005509118.tif 000013
【００７２】
ここでｎはサブスレショルドスロープパラメータであり、β＝ＫＷ／Ｌであって、ＵTは熱電圧、ＶTOは固有のしきい電圧である。
【００７３】
スイッチングしきい値Ｖｉｎｔｈでは、Ｍ１とＭ２とは等しいドレイン電流を有する。
【００７４】
【数１３】
0005509118.tif 000014
【００７５】
ここでＮＭＯＳおよびＰＭＯＳについてのサブスレショルドスロープは等しいと仮定される。
【００７６】
図７のＮＭＯＳ  Ｍ１がｎ−チャネルＩＳＦＥＴと置換されれば、そして、Ｖth(ISFET)＝Ｖth(MOS)＋Ｖchemであれば、スイッチングしきい値は以下のようになる。
【００７７】
【数１４】
0005509118.tif 000015
【００７８】
すなわち、スイッチングしきい値はｐＨ＜１１については低下し、ｐＨ＞１１については増大する。
【００７９】
図９は、ｐＨを変えることにより引起こされた、スイッチングしきい値におけるシフトを示す。この特性の結果は、ｖｉが固定されている場合、スイッチングはもっぱらｐＨの変化によって起るということである。さらに、図１０に示されるように、このスイッチングが生じるｐＨしきい値は、ｖｉの選択によって設定することができる。例示のために、ｖｉが０Ｖに固定された場合はｐＨ≧４について出力が大きく、ｖｉ＝１００ｍＶに固定された場合はｐＨ≧８について出力が大きいことが示される。
【００８０】
その意義は、図７の回路が、ゲートの固定入力電圧ｖｉによって規定されるしきい値より高いｐＨについて出力が大きいコンパレータとして用いられ得ることにある。
【００８１】
論理ゲートもまた弱反転領域で動作するＩＳＦＥＴを用いて構築されてもよい。図１１の回路では、たとえば、ＶGAはｐＨしきい値ｐthAを設定し、ＶGBはｐthBを設定する。ｎ−チャネルＩＳＦＥＴはｐＨ＜ｐthについて飽和している。両方のＩＳＦＥＴが飽和している時、出力Ｙは単に０である。ＮＡＮＤ真理表に示されるように、他のすべての状態について出力は１である。別の観点から見ると、出力がｐＨA≧ｐthA  ＯＲ  ｐＨB≧ｐthBのとき高いということがいえる。
【００８２】
同様の解析によって、ＮＯＲ真理表から推定できるように（ここでもＶGAがｐＨしきい値ｐthAを、ＶGBがｐthBを設定すると仮定して）、図１２の回路の出力は、ｐＨA≧ｐthA  ＡＮＤ  ｐＨB≧ｐthBの場合にのみ高い。
【００８３】
ＩＳＦＥＴは、ゲート入力の０および１によってではなく、選択されたしきい値よりも「＜」または「＞」であるｐＨによってトリガされ、基礎的な論理ゲートを実現するために用いることができることが示された。したがって、ＩＳＦＥＴは、より複雑な論理関数の直接の実現に好適である。
【００８４】
このようなデジタル回路を形成するＩＳＦＥＴ／ＭＯＳＦＥＴのための好ましい運転モードが弱反転モードである一方、これは不可欠ではなく、代替的に飽和モードで動作してもよい。回路は、弱反転モード装置および飽和モード装置の組合わせを用いてもよい。
【００８５】
当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、上述の実施例にさまざまな変更がなされ得ることが認識されるだろう。１つの変形例では、上述されたシングルゲートＩＳＦＥＴは、マルチゲートＩＳＦＥＴと置換される。別の変形例では、装置の付加的な入力として「バックゲート」または基板が用いられる。
【００８６】
ＩＳＦＥＴ（および関連する回路の他のＭＯＳＦＥＴ）のゲートにキャパシタを加えることにより、瞬間コンパンディングシステムを含む「動的な」数学的システムが生成され得、したがって特性を大信号非線形時間ドメイン生化学的機能、たとえばログドメインフィルタおよびプロセッサに変換することがさらに認識されるであろう。このような機能は、弱反転ＭＯＳＦＥＴの指数関数的／対数的な特性に依存する。
【符号の説明】
【００８７】
Ｂ  ｐ−型シリコン基板、Ｓ  ｎ−型ウェル（ソース）、Ｄ  ｎ−型ウェル（ドレイン）、Ｇ  ポリシリコンゲート接触。
【図１】
0005509118.tif 000016
【図２】
0005509118.tif 000017
【図３】
0005509118.tif 000018
【図４】
0005509118.tif 000019
【図５】
0005509118.tif 000020
【図６】
0005509118.tif 000021
【図７】
0005509118.tif 000022
【図８】
0005509118.tif 000023
【図９】
0005509118.tif 000024
【図１０】
0005509118.tif 000025
【図１１】
0005509118.tif 000026
【図１２】
0005509118.tif 000027