ISFET

ISFET
이 기사는 트랜지스터에 관한 것이다.이집트 신화의 개념은 이스페트(이집트 신화)를 참조한다.

이온 감응형 전계효과 트랜지스터(ISFET)는 용액의 이온 농도를 측정하는 데 사용되는 전계효과 트랜지스터입니다. 이온 농도(예를+ 들어 H, pH 스케일 참조)가 변화하면 트랜지스터를 통과하는 전류도 그에 따라 변화합니다.여기서 게이트 전극으로서 용액을 이용한다.이온시스에 의해 기판과 산화물 표면 사이에 전압이 발생한다.MOSFET(금속 산화물-반도체 전계효과 트랜지스터)[1]의 특수 유형으로 기본 구조는 동일하지만 금속 게이트가 이온 감응막, 전해질 용액 및 [2]참조 전극으로 대체되었습니다.1970년에 발명된 ISFET는 최초의 바이오센서 FET(BioFET)였다.

ISFET의 개략도.소스와 드레인은 FET 시스템에서 사용되는 두 개의 전극입니다.전자의 흐름은 드레인과 소스 사이의 채널에서 발생합니다.게이트 전위는 두 전극 사이의 전류 흐름을 제어합니다.

게이트 물질의 Si-OH 그룹의 표면 가수 분해는 pH 값으로 인해 수용액에서 다양하다.대표적인 게이트 재료는 SiO2, SiN34, AlO23 및 TaO입니다25.

산화물 표면 전하를 담당하는 메커니즘은 Si-OH 표면 부위와 용액 내 H 이온 사이의+ 평형을 설명하는 사이트 결합 모델로 설명할 수 있다.SiO와2 같은 산화물 표면을 코팅하는 수산기는 양성자를 기증하거나 수용하여 산화물-전기분해물 계면에서 발생하는 다음과 같은 산염기 반응에 의해 설명되는 양성자 방식으로 행동할 수 있습니다.

: Si–OH + HO2 ↔ : Si–O− + HO3+
: Si – OH + HO3+ ↔ : Si – OH2+ + HO2

ISFET의 소스 및 드레인 구성은 MOSFET와 같다.게이트 전극은 수소 이온에 민감한 장벽과 테스트 대상 물질이 민감한 장벽과 접촉할 수 있는 틈에 의해 채널에서 분리됩니다.ISFET의 임계값 전압은 이온 민감 장벽과 접촉하는 물질의 pH에 따라 달라집니다.

기준 전극으로 인한 실질적인 한계

H농도에+ 민감한 ISFET 전극을 기존의 유리 전극으로 사용하여 용액의 pH를 측정할 수 있다.그러나 작동하려면 기준 전극도 필요합니다.용액과 접촉하여 사용하는 기준전극이 AgCl 또는 HgCl의22 고전형일 경우 기존 pH전극과 동일한 제한(접합전위, KCl누출, 겔전극의 경우 글리세롤누출)을 겪는다.기존의 기준 전극도 부피가 크고 깨지기 쉽다.기존 기준 전극에 의해 너무 큰 부피가 구속되면 일부 생물학적 또는 생체 내 임상 분석(폐기 가능한 미니 카테터 pH 프로브)의 필수 특징인 ISFET 전극의 소형화가 방지된다.또한 기존의 기준 전극이 고장나면 생산 후기에 전극 잔해나 독성 화합물에 의해 고가의 제품이 오염되어 안전을 위해 폐기해야 하는 경우 제약 또는 식품 업계의 온라인 측정에 문제가 될 수 있다.

이러한 이유로, 20년 이상 동안 많은 연구가 온칩 내장형 소형 참조 전계 효과 트랜지스터(REFET)에 전념해 왔습니다.기능 원리 또는 작동 모드는 전극 생산자에 따라 다를 수 있으며 종종 특허로 보호됩니다.또한 REFET에 필요한 반도체 변형 표면은 항상 시험 용액과 열역학적 평형을 이루지 못하며 공격적인 용존종이나 간섭성 용존종이나 잘 특징지어지지 않은 노화 현상에 민감할 수 있다.정기적인 시간 간격으로 전극을 자주 재보정할 수 있고 사용 수명 동안 쉽게 유지 보수할 수 있는 경우에는 문제가 되지 않습니다.그러나 이는 전극이 장시간 온라인 상태로 있어야 하거나 측정 자체의 특성과 관련된 특정 구속조건(가혹한 환경이나 무독성 또는 대기권에 의해 쉽게 방해를 받는 감소 조건 하에서 지구 화학적 측정)에 액세스할 수 없는 경우 문제가 될 수 있습니다.c 산소 유입 또는 압력 변화).

ISFET 전극의 중요 인자는 기존 유리 전극과 마찬가지로 기준 전극으로 남습니다.전극 오작동을 트러블 슈팅할 때 대부분의 문제를 참조 전극 측면에서 검색해야 하는 경우가 많습니다.

ISFET의 저주파 노이즈

ISFET 기반 센서의 경우 저주파 노이즈는 동일한 주파수 [3]영역에 걸쳐 있는 생물의학 신호를 방해할 수 있기 때문에 SNR 전체에 가장 해가 됩니다.이음의 발생원은 크게 3가지입니다.ISFET 자체의 외부 노이즈 소스는 환경 간섭 및 단자 읽기 회로의 계측기 노이즈와 같은 외부 노이즈라고 합니다.고유 노이즈는 주로 산화물/Si 인터페이스에서 캐리어의 트래핑 및 트래핑 해제에 의해 ISFET의 솔리드 부분에 나타나는 노이즈를 말합니다.또한 외인성 노이즈는 일반적으로 액체/산화물 계면에서의 이온 교환에 의해 발생하는 액체/산화물 계면에 뿌리를 두고 있다.ISFET의 노이즈를 억제하기 위해서, 많은 방법이 개발되고 있습니다.예를 들어 외부 노이즈를 억제하기 위해 바이폴라 접합 트랜지스터를 ISFET와 통합하여 드레인 [4]전류의 내부 증폭을 즉시 실현할 수 있습니다.또한 고유의 노이즈를 억제하기 위해 노이즈가 많은 산화물/Si 인터페이스를 쇼트키 접합 [5]게이트로 대체할 수 있습니다.

역사

ISFET의 기초는 MOSFET입니다.네덜란드 Twente 대학의 엔지니어 Piet Bergveld는 MOSFET를 연구하여 전기화학적 및 생물학적 [6][1]응용을 위한 센서로 개조할 수 있다는 것을 깨달았습니다.이것은 1970년에 Bergveld의 [7][6]ISFET의 발명으로 이어졌다.그는 ISFET를 "특정 [1]거리에 게이트가 있는 특수한 유형의 MOSFET"라고 설명했다.최초의 바이오센서 FET(Biosensor FET)[8]입니다.

ISFET 센서는 CMOS(Complementary MOS) 기술을 기반으로 집적회로에 구현될 수 있다.FET센서 기기는 디옥시 리보 핵산 혼성화는 탐지, 피에서 바이오 마커 감지, 항체 검출, 포도당 측정과 pH감지 것과 같은 의공학 응용 프로그램에 사용된다.[2]DNA를 전계 효과 트랜지스터(DNAFET)[2][7]유전 공학에 사용하는 것과 같은 후 BioFETs의 K는 또한 기본이다.[2]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c Bergveld, Piet (October 1985). "The impact of MOSFET-based sensors" (PDF). Sensors and Actuators. 8 (2): 109–127. Bibcode:1985SeAc....8..109B. doi:10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN 0250-6874.
  2. ^ a b c d Schöning, Michael J.; Poghossian, Arshak (10 September 2002). "Recent advances in biologically sensitive field-effect transistors (BioFETs)" (PDF). Analyst. 127 (9): 1137–1151. Bibcode:2002Ana...127.1137S. doi:10.1039/B204444G. ISSN 1364-5528. PMID 12375833.
  3. ^ Bedner, Kristine; Guzenko, Vitaliy A.; Tarasov, Alexey; Wipf, Mathias; Stoop, Ralph L.; Rigante, Sara; Brunner, Jan; Fu, Wangyang; David, Christian; Calame, Michel; Gobrecht, Jens (February 2014). "Investigation of the dominant 1/f noise source in silicon nanowire sensors". Sensors and Actuators B: Chemical. 191: 270–275. doi:10.1016/j.snb.2013.09.112. ISSN 0925-4005.
  4. ^ Zhang, Da; Gao, Xindong; Chen, Si; Norström, Hans; Smith, Ulf; Solomon, Paul; Zhang, Shi-Li; Zhang, Zhen (2014-08-25). "An ion-gated bipolar amplifier for ion sensing with enhanced signal and improved noise performance". Applied Physics Letters. 105 (8): 082102. doi:10.1063/1.4894240. ISSN 0003-6951.
  5. ^ Chen, Xi; Chen, Si; Hu, Qitao; Zhang, Shi-Li; Solomon, Paul; Zhang, Zhen (2019-02-22). "Device Noise Reduction for Silicon Nanowire Field-Effect-Transistor Based Sensors by Using a Schottky Junction Gate". ACS Sensors. 4 (2): 427–433. doi:10.1021/acssensors.8b01394. ISSN 2379-3694.
  6. ^ a b Bergveld, P. (January 1970). "Development of an Ion-Sensitive Solid-State Device for Neurophysiological Measurements". IEEE Transactions on Biomedical Engineering. BME-17 (1): 70–71. doi:10.1109/TBME.1970.4502688. PMID 5441220.
  7. ^ a b Chris Toumazou; Pantelis Georgiou (December 2011). "40 years of ISFET technology: From neuronal sensing to DNA sequencing". Electronics Letters. 47: S7. doi:10.1049/el.2011.3231. Retrieved 13 May 2016.
  8. ^ Park, Jeho; Nguyen, Hoang Hiep; Woubit, Abdela; Kim, Moonil (2014). "Applications of Field-Effect Transistor (FET)–Type Biosensors" (PDF). Applied Science and Convergence Technology. 23 (2): 61–71. doi:10.5757/ASCT.2014.23.2.61. ISSN 2288-6559. S2CID 55557610. Archived from the original (PDF) on 2019-10-07.

참고 문헌

추가 정보