Войти
Ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET ) - это полевой транзистор для измерения концентрации ионов в растворе; когда концентрация ионов (например, H, см. шкалу pH ) изменяется, ток через транзистор соответственно изменится. Здесь раствор используется как электрод затвора. Напряжение между подложкой и поверхностями оксида возникает из-за ионной оболочки . Это особый тип MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который имеет ту же базовую структуру, но с металлическим затвором, замененным ионно-чувствительным мембрана, раствор электролита и электрод сравнения. Изобретенный в 1970 году ISFET был первым биосенсором FET (BioFET).
Схематическое изображение ISFET. Исток и сток - это два электрода, используемые в системе полевых транзисторов. Электронный поток проходит в канале между стоком и истоком. Потенциал затвора управляет протеканием тока между двумя электродами. Поверхностный гидролиз групп Si – OH материалов затвора меняется в водных растворах из-за значения pH. Типичными материалами затвора являются SiO 2, Si3N4, Al2O3 и Ta2O5.
. Механизм, ответственный за поверхностный заряд оксида, можно описать с помощью модели связывания сайтов, которая описывает равновесие между сайтами Si – OH на поверхности и ионами H в растворе.. Гидроксильные группы, покрывающие поверхность оксида, например SiO 2, могут отдавать или принимать протон и, таким образом, вести себя амфотерным образом, как показано следующими кислотно-основными реакциями, происходящими на границе раздела оксид-электролит:
Исток и сток ISFET сконструированы так же, как для MOSFET. Электрод затвора отделен от канала перегородкой, чувствительной к ионам водорода, и зазором, позволяющим испытуемому веществу контактировать с чувствительным барьером. Пороговое напряжение ISFET зависит от pH вещества, контактирующего с его ионно-чувствительным барьером.
Электрод ISFET, чувствительный к концентрации H, можно использовать в качестве обычного стеклянного электрода для измерения pH решение. Однако для работы также требуется электрод сравнения . Если электрод сравнения, используемый в контакте с раствором, относится к классическому типу AgCl или Hg2Cl2, он будет иметь те же ограничения, что и обычные pH-электроды (потенциал перехода, KCl утечка, и утечка глицерина в случае гелевого электрода). Обычный электрод сравнения также может быть громоздким и хрупким. Слишком большой объем, ограниченный классическим электродом сравнения, также исключает миниатюризацию электрода ISFET, что является обязательной функцией для некоторых биологических или клинических анализов in vivo (одноразовый мини-катетерный датчик pH). Выход из строя обычного электрода сравнения может также создать проблему при оперативных измерениях в фармацевтической или пищевой промышленности, если очень ценные продукты загрязнены обломками электрода или токсичными химическими соединениями на поздней стадии производства и должны быть выброшены в целях безопасности.
По этой причине на протяжении более 20 лет многие исследования были посвящены встроенным в кристалл крошечным эталонным полевым транзисторам (REFET). Их принцип действия или режим работы могут различаться в зависимости от производителей электродов и часто являются собственностью и защищены патентами. Полупроводниковые модифицированные поверхности, необходимые для REFET, также не всегда находятся в термодинамическом равновесии с исследуемым раствором и могут быть чувствительны к агрессивным или мешающим растворенным веществам или плохо охарактеризованным явлениям старения. Это не проблема, если электрод можно часто перекалибровать через равные промежутки времени и легко обслуживать в течение всего срока службы. Однако это может быть проблемой, если электрод должен оставаться в рабочем состоянии в течение длительного периода времени или недоступен из-за особых ограничений, связанных с характером самих измерений (геохимические измерения при повышенном давлении воды в суровых условиях окружающей среды или в бескислородной среде). или восстановительные условия, легко нарушаемые проникновением атмосферного кислорода или изменениями давления).
Таким образом, решающим фактором для электродов ISFET, как и для обычных стеклянных электродов, остается электрод сравнения. Часто при поиске неисправностей электродов большинство проблем приходится искать со стороны электрода сравнения
Для датчиков на основе ISFET низкочастотный шум является наиболее пагубным для общего отношения сигнал / шум, поскольку он может мешать биомедицинским сигналам, которые находятся в той же частотной области. У шума в основном три источника. Источники шума за пределами самого ISFET называются внешними шумами, такими как помехи окружающей среды и инструментальный шум от схем считывания терминала. Собственный шум - это шум, возникающий в твердой части ISFET, который в основном вызван захватом и снятием захвата носителей на границе оксид / Si. Причем внешний шум обычно связан с границей раздела жидкость / оксид, вызываемой ионным обменом на границе раздела жидкость / оксид. Придумано много методов подавления шума ISFET. Например, чтобы подавить внешний шум, мы можем интегрировать транзистор с биполярным переходом с ISFET, чтобы сразу реализовать внутреннее усиление тока стока. А чтобы подавить собственный шум, мы можем заменить зашумленный интерфейс оксид / кремний переходным затвором Шоттки.
Основой ISFET является MOSFET (металл. -оксидно-полупроводниковый полевой транзистор), который первоначально был изобретен египетским инженером Мохамедом М. Аталлой и корейским инженером Давоном Кангом в 1959 году. В 1962 году Леланд К. Кларк и Чамп Лайонс изобрели биосенсор.
голландский инженер Пит Бергвельд в Университете Твенте, позже изучили MOSFET и поняли, что его можно адаптировать в датчик для электрохимических и биологических приложений. Это привело к тому, что Бергвельд изобрел ISFET в 1970 году. Он описал ISFET как «особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии». Это был самый ранний биосенсор FET (BioFET).
датчики ISFET могли быть реализованы в интегральных схемах на основе технологии CMOS (дополнительная МОП). Устройства ISFET широко используются в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК, обнаружение биомаркеров из крови, антител. обнаружение, измерение глюкозы и измерение pH. ISFET также является основой для более поздних BioFET, таких как полевой транзистор ДНК (DNAFET), используемый в генетической технологии.
| journal =()