Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип транзистора полевого эффекта – транзистор.
Type of field effect transistor
the transistor
Ионно-чувствительный транзистор полевого эффекта (ISFET) – это транзистор полевого эффекта, используемый для измерения концентрации ионов в растворе; при изменении концентрации ионов (например, H+, см. шкалу pH), ток через транзистор изменяется пропорционально. В данном случае раствор используется в качестве затворного электрода. Напряжение между поверхностями подложки и оксида возникает из-за ионной оболочки. Это особый тип MOSFET (транзистора полевого эффекта на металл-оксид-полупроводник) и имеет ту же базовую структуру, но с металлическим затвором, замененным ионно-чувствительной мембраной, раствором электролита и опорным электродом. Изобретенный в 1970 году, ISFET был первым BioFET (биосенсорным транзистором полевого эффекта). Поверхностный гидролиз групп Si–OH материалов затвора в водных растворах изменяется в зависимости от значения pH. Типичными материалами затвора являются SiO2, Si3N4, Al2O3 и Ta2O5. Механизм, ответственный за поверхностный заряд оксида, может быть описан моделью связывания участков, которая описывает равновесие между поверхностными участками Si–OH и ионами H+ в растворе. Гидроксильные группы, покрывающие поверхность оксида, например, SiO2, могут отдавать или принимать протон и, таким образом, проявлять амфотерные свойства, что иллюстрируется следующими кислотно-основными реакциями, происходящими на границе раздела оксид-электролит:
An ion sensitive field effect transistor (ISFET) is a field effect transistor used for measuring ion concentrations in solution; when the ion concentration (such as H+, see pH scale) changes, the current through the transistor will change accordingly. Here, the solution is used as the gate electrode. A voltage between substrate and oxide surfaces arises due to an ion sheath. It is a special type of MOSFET (metal–oxide–semiconductor field effect transistor), and shares the same basic structure, but with the metal gate replaced by an ion sensitive membrane, electrolyte solution and reference electrode. Invented in 1970, the ISFET was the first biosensor FET (BioFET). The surface hydrolysis of Si–OH groups of the gate materials varies in aqueous solutions due to pH value. Typical gate materials are SiO2, Si3N4, Al2O3 and Ta2O5. The mechanism responsible for the oxide surface charge can be described by the site binding model, which describes the equilibrium between the Si–OH surface sites and the H+ ions in the solution. The hydroxyl groups coating an oxide surface such as that of SiO2 can donate or accept a proton and thus behave in an amphoteric way as illustrated by the following acid base reactions occurring at the oxide electrolyte interface:
—Si–OH + H2O ↔ —Si–O− + H3O+
—Si–OH + H2O ↔ —Si–O− + H3O+
—Si–OH + H3O+ ↔ —Si–OH2+ + H2O
—Si–OH + H3O+ ↔ —Si–OH2+ + H2O
Источник и сток ISFET сконструированы аналогично MOSFET. Затвор отделен от канала барьером, чувствительным к ионам водорода, и зазором, обеспечивающим контакт испытываемого вещества с чувствительным барьером. Пороговое напряжение ISFET зависит от pH вещества, контактирующего с его ионно-чувствительным барьером.
An ISFET's source and drain are constructed as for a MOSFET. The gate electrode is separated from the channel by a barrier which is sensitive to hydrogen ions and a gap to allow the substance under test to come in contact with the sensitive barrier. An ISFET's threshold voltage depends on the pH of the substance in contact with its ion sensitive barrier.
Практические ограничения, обусловленные использованием эталонного электрода
Электрод ISFET, чувствительный к концентрации H+, может использоваться как обычный стеклянный электрод для измерения pH раствора. Однако для его работы также требуется эталонный электрод. Если эталонный электрод, контактирующий с раствором, является классическим электродом типа AgCl или Hg2Cl2, он будет иметь те же ограничения, что и обычные pH-электроды (потенциал жидкостного перехода, утечка KCl и утечка глицерина в случае гелевого электрода). Обычный эталонный электрод также может быть громоздким и хрупким. Слишком большой объем, обусловленный классическим эталонным электродом, препятствует миниатюризации ISFET-электрода, что является обязательным требованием для некоторых биологических или клинических анализов in vivo (например, одноразовый миниатюрный катетерный pH-зонд). Выход из строя обычного эталонного электрода также может вызвать проблемы при онлайн-измерениях в фармацевтической или пищевой промышленности, если ценные продукты загрязнены частицами электрода или токсичными химическими соединениями на поздней стадии производства, что потребует их утилизации в целях безопасности. По этой причине более 20 лет многие исследовательские усилия были направлены на создание встроенных в чип миниатюрных полевых транзисторов в качестве эталонных электродов (REFET). Принцип их работы, или режим функционирования, может варьироваться в зависимости от производителя электрода и часто является запатентованным и охраняемым. 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 изученным явлениям старения. Это не является серьезной проблемой, если электрод можно регулярно перекалибровывать и легко обслуживать в течение срока службы. Однако это может стать проблемой, если электрод должен оставаться погруженным в раствор в течение длительного периода времени или недоступен из-за специфических ограничений, связанных с характером измерений (например, геохимические измерения под повышенным давлением воды в жестких условиях или в аноксической или восстановительной среде, легко нарушаемой попаданием атмосферного кислорода или изменением давления). Таким образом, эталонный электрод остается критически важным фактором для электродов ISFET, как и для обычных стеклянных электродов. При поиске и устранении неисправностей электродов большинство проблем часто связаны именно с эталонным электродом.
An ISFET electrode sensitive to H+ concentration can be used as a conventional glass electrode to measure the pH of a solution. However, it also requires a reference electrode to operate. If the reference electrode used in contact with the solution is of the AgCl or Hg2Cl2 classical type, it will suffer the same limitations as conventional pH electrodes (junction potential, KCl leak, and glycerol leak in case of gel electrode). A conventional reference electrode can also be bulky and fragile. A too large volume constrained by a classical reference electrode also precludes the miniaturization of the ISFET electrode, a mandatory feature for some biological or in vivo clinical analyses (disposable mini catheter pH probe). The breakdown of a conventional reference electrode could also make problem in on line measurements in the pharmaceutical or food industry if highly valuable products are contaminated by electrode debris or toxic chemical compounds at a late production stage and must be discarded for the sake of safety. For this reason, since more than 20 years many research efforts have been dedicated to on chip embedded tiny reference field effect transistors (REFET). Their functioning principle, or operating mode, can vary, depending on the electrode producers and are often proprietary and protected by patents. Semi conductor modified surfaces required for REFET are also not always in thermodynamical equilibrium with the test solution and can be sensitive to aggressive or interfering dissolved species or not well characterized aging phenomena. This is not a real problem if the electrode can be frequently re calibrated at regular time interval and is easily maintained during its service life. However, this may be an issue if the electrode has to remain immersed on line for prolonged period of time, or is inaccessible for particular constrains related to the nature of the measurements itself (geochemical measurements under elevated water pressure in harsh environments or under anoxic or reducing conditions easily disturbed by atmospheric oxygen ingress or pressure changes). A crucial factor for ISFET electrodes, as for conventional glass electrodes, remains thus the reference electrode. When troubleshooting electrode malfunctions, often, most of the problems have to be searched for from the side of the reference electrode.
Низкочастотный шум ISFET
Для датчиков на основе ISFET низкочастотный шум оказывает наиболее негативное влияние на общее отношение сигнал/шум (SNR), поскольку он может создавать помехи биомедицинским сигналам, лежащим в том же частотном диапазоне. Этот шум имеет три основных источника. Источники шума, находящиеся вне самого ISFET, называются внешним шумом, например, помехи от окружающей среды и инструментальный шум от цепей считывания. Внутренний шум возникает в твердотельной части ISFET и в основном обусловлен захватом и освобождением носителей заряда на границе оксид/Si. Экстринный шум обычно связан с интерфейсом жидкость/оксид, вызванным ионным обменом на этой границе. Разработано множество методов подавления шума ISFET. Например, для подавления внешнего шума можно интегрировать биполярный транзистор с ISFET для немедленного внутреннего усиления тока стока. А для подавления внутреннего шума можно заменить шумный интерфейс оксид/Si на затвор Шоттки.
For ISFET based sensors, low frequency noise is most detrimental to the overall SNR as it can interfere with biomedical signals which span in the same frequency domain. The noise has mainly three sources. The noise sources outside the ISFET itself are referred to as the external noise, such as environmental interference and instrument noise from terminal read out circuits. The intrinsic noise refers to that appearing in the solid part of an ISFET, which is mainly caused by the trapping and de trapping of carriers at the Oxide/Si interface. And the extrinsic noise is generally rooted in the liquid/oxide interface causing by the ion exchange at the liquid/oxide interface. Many methods are invented to suppress the noise of ISFET. For example, to suppress the external noise, we can integrate a bipolar junction transistor with ISFET to realize immediate the internal amplification of drain current. And to suppress the intrinsic noise we can replace the noisy oxide/Si interface by a Schottky junction gate.
История
Основой для ISFET является MOSFET. Голландский инженер Пит Бергвельд из Университета Твенте изучал MOSFET и пришел к выводу, что его можно адаптировать для создания датчика в электрохимических и биологических приложениях. Датчики ISFET могут быть реализованы в интегральных схемах на основе CMOS-технологии (комплементарной МОП-технологии). Устройства ISFET широко используются в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК, выявление биомаркеров в крови, обнаружение антител, измерение уровня глюкозы и определение pH. ISFET также является основой для более поздних BioFET, таких как ДНК-полевой транзистор (DNAFET), применяемый в генетических технологиях.
The basis for the ISFET is the MOSFET. Dutch engineer Piet Bergveld, at the University of Twente studied the MOSFET and realized it could be adapted into a sensor for electrochemical and biological applications. ISFET sensors could be implemented in integrated circuits based on CMOS (complementary MOS) technology. ISFET devices are widely used in biomedical applications, such as the detection of DNA hybridization, biomarker detection from blood, antibody detection, glucose measurement and pH sensing. The ISFET is also the basis for later BioFETs, such as the DNA field effect transistor (DNAFET), used in genetic technology.