Полевые транзисторы
2. ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ
2.1. Полевые транзисторы
Полевыми транзисторами (ПТ) называются потенциометрические
устройства, в которых роль миниатюрного трансдьюсера для детекции и
измерения сигнала выполняет транзисторный усилитель, а сигнал возникает в селективной мембране, помещенной в затвор ПТ. Для работы
ПТ требуется отдельный электрод сравнения. Монтаж самой схемы в ПТ
сведен к минимуму, что определяет миниатюрность устройства, значительно уменьшает помехи и увеличивает чувствительность. ПТ может
быть частью интегральной микросхемы, в которую входит также устройство индикации данных или микропроцессор. К сожалению, пока нет
миниатюрных электродов сравнения должного качества. Большинство
из них не удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к
электродам сравнения. Несмотря на это, предложен и применен
целый ряд моделей, начиная от платинового или серебряного микроэлектрода (по сути, не являющихся электродами сравнения) до хлорсеребряного электрода, изготовленного печатным способом. Не исключено, что проще вообще отказаться от электродов сравнения, а вместо них использовать дифференциальную систему с двумя ПТ, из которых один
будет «нулевым» (то есть его затвор практически не должен реагировать
на аналит), а другой — содержать аналит-селективную мембрану.
2.1.1Краткие сведения о полупроводниках
Все материалы разделяют на металлы, неметаллы и полупроводники. Как правило, металлы хорошо проводят электрический ток, а неметаллы его не проводят вовсе, то есть являются диэлектриками. Полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами.
Различие между названными типами материалов проявляется в том, как в них образуются энергетические уровни. Молекулярное строение неметаллов отличается тем, что атомы в них образуют дискретные связывающие и антисвязывающие молекулярные орбитали. На связывающих орбиталях располагаются электроны, принимающие участие в образовании химической связи. Попасть на несвязывающую орбиталь (не занятую в устойчивом состоянии молекулы) электрон может только при возбуждении. Пространство между орбиталями не может быть занято ни при каких обстоятельствах — это так называемая «запрещенная» зона. В металлах, напротив, энергетические зоны перекрываются, и запрещенных зон не существует. Электроны в металлах могут свободно перемещаться между зонами, что и объясняет их высокую электронную проводимость. В полупроводниках имеются две энергетические зоны: нижняя зона, называемая валентной зоной (ВЗ), и верхняя, называемая «свободной» или зоной проводимости (ЗП). Между ними располагается запрещенная зона (рис. 2.1).
Рис. 2.1. (а) Классификация материалов по типу расположения
энергетических зон и межатомному расстоянию,
(б) Энергетические зоны в полупроводнике
Рекомендуемые материалы
В зависимости от внесения в полупроводник тех или иных примесей он может получить либо избыток электронов и стать полупроводником р-типа, либо их недостаток (или избыток дырок) и стать полупроводником n-типа. Элементы пятого периода периодической таблицы
(в частности, мышьяк) образуют полупроводники р-типа, а элементы
четвертого периода (например, галлий) — полупроводники п-типа.
Важной термодинамической характеристикой полупроводника
служит так называемый уровень Ферми (EF). Это такой энергетический
уровень, вероятность нахождения электрона на котором составляет 1/2.
Для чистого (биспримесного) полупроводника Ег лежит ровно посередине между ВЗ и ЗП. Для полупроводника р-типа EF лежит ближе к ВЗ, а
для полупроводника n-типа — ближе в ЗП.
В сенсорах полупроводники обычно применяют в виде структур
типа металл-диэлектрик-полупроводник (так называемых МДП-структур). В отсутствие наложенного потенциала уровень Ферми в МДП-структуре один и тот же по всей толщине (от металла до полупроводника). Однако при наложении потенциала уровни Ферми с обеих сторон
структуры расходятся. Структура начинает вести себя как конденсатор,
так что на двух ее сторонах накапливаются противоположные заряды. На
рисунке 2.22а показано расположение энергетических уровней в полупроводнике р-типа в отсутствие наполненного на МДП-структуру потенциала или затворного напряжения (VG).
При небольшом отрицательном напряжении (VG < 0) электроны накапливаются на границе металл-диэлектрик (М—Д), а дырки (положительные заряды) — на границе полупроводник-диэлектрик (П-Д) (рис. 2.2б). При этом Еg в полупроводнике смещается ниже к ВЗ (сдвиг по отношению к EF в металле равен VG), а энергетические уровни вблизи границы полупроводника поднимаются, пытаясь скомпенсировать эту разницу. При небольшом положительном напряжении (VG > 0) положительно заряженные дырки отталкиваются от границы раздела П-Д, вызывая
Рис. 2.2. Расположение энергетических зон в МДП-структуре в
зависимости от наложенного затворного напряжения К0
обеднение граничной области дырками (рис. 2.2в). В этом случае компенсаторный эффект приводит к тому, что ВЗ и ЗП у границы раздела загибаются вниз. При дальнейшем увеличении VG концентрации электронов и дырок вблизи границы могут выровняться, и уровень Ферми опять окажется ровно посередине между ВЗ и ЗП (как и в отсутствие напряжения). Дальнейшее увеличение VG приведет к инверсии типа проводимости от р-типа к n-типу. Напряжение, при котором происходит инверсия, называется пороговым (VT).
2.1.2 Контакт полупроводника с раствором
В случае, когда полупроводник n-типа находится в контакте с раство-
ром, содержащим окислительно-восстановительную пару Ox/R, уро-
вень Ферми определяется окислительно-восстановительным потенци-
алом Е°. Если EF полупроводника выше Е°, электроны будут стекать с
полупроводника в раствор, а энергетические зоны (ВЗ и ЗП) вблизи
границы поднимутся вверх (рис. 2.3).
Рис 2.3. Формирование соединения между полупроводником n-типа и
раствором, содержащим окислительно-восстановительную пару
Ox—R: а) до контакта; б) в равновесии в темноте; в) после
попадания на поверхность контакта излучения с энергией hν > Ес
Если на поверхность контакта падает излучение, энергия которого
превышает значение ЕG (ширину запрещенной зоны), произойдет разделение электронов и дырок. Дырки будут мигрировать к поверхности с
потенциалом, эквивалентным потенциалу ВЗ, где будет происходить окисление R в Ох. Электроны же будут перемещаться вглубь полупроводника и в цепь внешней нагрузки либо поглощаться акцептором электронов (Ох), восстанавливая его. Описанное явление называют фотокатализом. В качестве фотокаталитического материала широко используют диоксид титана.
2.1.3 Полевой транзистор
Полевой транзистор специально сконструирован для отслеживания изменений, происходящих в МДП-структуре. За инверсией типа проводимости в приграничной области полупроводника р-типа (подложки)
следят с помощью двух элементов n-типа, расположенных с разных ее
сторон. Чаще всего используют полевой транзистор с изолированным
затвором. Его схема показана на рис. 2.4. Кремниевые сток (5) и исток (4) с проводимостью n-типа разделены кремниевой подложкой с
проводимостью р-типа. В качестве диэлектрика (2) используется диоксид кремния. Между стоком и истоком подается напряжение VD. Затво-
ром служит металл (3), изолированный от остальной структуры, так что
вся МДП-структура напоминает плоский конденсатор (рис. 2.5).
Рис. 2.4 - Схема полевого транзистора с изолированным затвором:
1 — кремниевая подложка р-типа;
2 — диэлектрик;
3 — металлический затвор;
4 — исток п-типа;
5 — сток n-типа;
6 — металлические контакты на стоке и истоке
На затвор подается напряжение смещения VG, и измеряется ток ID,
направленный от стока к истоку. При пороговом напряжении VT в крем-
ниевой подложке происходит инверсия проводимости от р-типа к п-типу.
При небольшом положительном VD и VG < VT проводимость кремниевой
подложки дырочная (р-типа), и тока из истока нет (исток находится под
положительным напряжением относительно подложки). При VG > VT в
приповерхностной области подложки происходит инверсия типа прово-
димости (с дырочной на электронную), и ток начинает течь от стока к ис-
току без преодоления p-n-перехода. Теперь, варьируя VG, можно изменять
поток электронов из приповерхностной области и таким образом контро-
лировать проводимость. ID течет от истока к стоку, а его величина линейно
зависит от электрического сопротивления инверсионного канала и от VD.
Рис. 2.5. Схематическое изображение изолированного затвора в полевом транзисторе.
М - металл; Д - диэлектрик; П - полупроводник
Для того чтобы сделать из описанного устройства сенсор, в затвор
вместо металла помещают распознающий элемент, например, аналит-
чувствительную мембрану. Таким образом получают химически чувст-
вительные полевые транзисторы (ХЧПТ), схема которых показана на
рисунке 2.6.
Рис. 2.6. Схема полевого транзистора, в затворе которого имеется
аналит-чувствительная мембрана (ХЧПТ).
1 — кремниевая подложка; 2 — диэлектрик; 3 — аналит-чувствительная мембрана; 4 — сток; 5 — исток; 6 — изолирующая заливка; 7 — раствор аналита;
8 — электрод сравнения
Лекция "10 Размножение пчел" также может быть Вам полезна.
В этой конструкции аналит-чувствительная мембрана (3) находит-
ся в контакте с раствором определяемого вещества (7). Цепь замыкает
электрод сравнения (8), который следует за источником напряжения
смещения VG. Таким образом, VG уменьшается на величину мембран-
ного потенциала и потенциала раствора.
Ток можно измерять напрямую при постоянном VG с использова-
нием схемы, показанной на рис. 2.7. С другой стороны, можно поддер-
живать постоянным ток ID и менять напряжение VG. В этом случае на-
пряжение измеряют с помощью схемы, показанной на рис. 2.28, кото-
рая используется в целом, ряде сенсоров на основе полевых
транзисторов. Помимо ХЧПТ различают также полевые транзисторы с
ионоселективными электродами (ИСПТ) и ферментные полевые тран-
зисторы (ФПТ), в затворе которых помещена ферментная система.
Рис. 2.7. Электрическая схема для измерения ID при постоянном затворном напряжении: А – операционны усилитель; R1=1kOm; R2=470 Ом
Рис. 2.8. Электрическая схема для измерения VG при постоянном токе стока: А1 и А2 - операционные усилители; R1 =1 кОм; R2 = R3 = 100 кОм;
R4 = 20 кОм, R5 = 470 Ом; С = 10 пФ
