Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
sensors, Kodansha, Tokyo, pp. 501 -6. Elsevier, New York, 1983.
7. Matsuo Т., Esashi М., Methods of ISFET fabrication. Sensors and
Actuators, 1, 77-96 (1981).
8. Kagawa Y. A new model of proton motive ATP synthesis: acid-base
cluster hypothesis. J. Biochem. 95, 295-98 (1984).
9. Yoshida М., Sone N., Hirata H., Kagawa Y., Reconstitution of adenosine
triphosphatase of thermophilic bacterium from purified individual
subunits. J. Biol. Chem., 252, 3480-5 (1977).
Глава 26 Химически чувствительные полевые транзисторы
Гэри Ф. Блэкберн
26.1. Введение
Химически чувствительные полевые транзисторы (ХЧПТ) появились в
результате слияния двух хорошо разработанных технологий - интегральных
схем (ИС) и ионоселективных электродов (ИСЭ). Впервые ХЧПТ описан
Бергвельдом [11]; в нем для придания чувствительности к ионам водорода на
полевой транзистор с диэлектрическим затвором (ДЗПТ) был нанесен слой
диоксида кремния. За прошедшее с тех пор время были достигнуты
значительные успехи, особенно в области ионоселективных полевых
транзисторов (ИСПТ). Разработанные ранее для ИСЭ ионоселективные
мембраны, как оказалось; можно применять и в производстве ИСПТ, что
существенно облегчило создание последних. Значительные усилия прилагались
и для разработки сенсоров типа ХЧПТ, селективных по отношению к неионным
соединениям, однако все же по степени развития эта область уступает ИСПТ.
При написании этой главы авторы не стремились охватить все опубликованные
данные. Основное внимание здесь будет уделено обсуждению наиболее активно
развивающихся в настоящее время направлений. Читателям, особо
интересующимся проблемой ХЧПТ, рекомендуется ознакомиться с более
подробными сведениями в монографиях [1] или [2].
26.2. Теория химических сенсоров на основе полевых транзисторов
Чтобы понять, как функционирует химически чувствительный полевой
транзистор, сначала необходимо ознакомиться с физическими процессами,
происходящими в полевом транзисторе с диэлектрическим затвором, на базе
которого и были созданы ХЧПТ. Сначала мы рассмотрим с качественной точки
зрения электронные свойства полупроводниковых материалов, а затем
транзисторы со структурой металл - диэлектрик-полупроводник (МДП),
являющиеся предшественниками ДЗПТ. Теорию ДЗПТ легко распространить и на
описание ХЧПТ. Подробное и строгое описание физики полупроводников не
входит в цели этой книги и не обязательно для того, чтобы понять, как
работают ХЧПТ. Интересующийся читатель может подробнее ознакомиться с
физикой полупроводниковых устройств в монш рафиях [3] или [4].
Важно отметить, что полевые транзисторы со структурами металл - оксид -
полупроводник (МОППТ), металл -диэлектрик-полупроводник (МДППТ) и металл-
нитрид-оксид-полу проводник (МНОППГ) представляют собой различные
варианты ДЗПТ.
26.2.1. Физика полупроводников
Чтобы понять физику полупроводниковых материалов в том объеме, в каком
это необходимо для обсуждения принципа действия ДЗПТ или ХЧПТ,
целесообразно прежде всего обратиться к диаграммам энергетических зон
полупроводников. На
Химически чувствительные полевые транзисторы
385
Рис. 26.1. Диаграмма энергетических зон нелегированного кремния.
/////////////// ш
\ 1 V
¦Е(,Ер
:EV
рис. 26.1 представлена диаграмма энергетических зон кремния. Чем выше на
диаграмме расположена зона, тем больше энергия находящихся в этой зоне
электронов. Ось абсцисс отражает расстояние в кремнии. Заштрихованные
области-это разрешенные для электронов кремния энергетические уровни.
Верхняя зона называется зоной проводимости; ее низший энергетический
уровень обозначают символом Ес. Нижняя зона является валентной зоной
кремния; ее высший энергетический уровень обычно обозначают символом ?у.
Все энергетические уровни отнесены к "уровню вакуума" Е0, под которым
понимают энергию электрона, свободного от влияния данного материала.
Область энергий между Ес и Ev называют "запрещенной" энергетической
зоной; в ней нет разрешенных электронных уровней. Разность между Ес и ?v
называют шириной энергетической щели и обозначают символом Eg; для
кремния Eg= 1,1 эВ. При температуре абсолютного нуля (О К) все
разрешенные энергетические уровни валентной зоны заполнены электронами, а
все уровни в зоне проводимости свободны. Даже при комнатной температуре
(300 К) средняя кинетическая энергия электронов равна всего лишь 0,04 эВ,
т. е. менее 4% ширины энергетической щели. По этой причине и число
электронов, энергия которых достаточна для перехода в зону проводимости,
в таких условиях чрезвычайно мало.
Электронная электропроводность возникает тогда, когда электроны
полупроводника движутся под воздействием любого электрического поля. Если
электроны движутся, то их кинетическая энергия увеличивается; в
результате они переходят на свободный более высокий энергетический
уровень. Электропроводность чистого (нелегированного) кремния
(собственная электропроводность) очень мала, поскольку все валентные
энергетические уровни уже заполнены и свободных уровней, необходимых для
