НОУ ИНТУИТ | Лекция | Химически чувствительные полевые транзисторы и биосенсоры на их основе. Кондуктометрические и амперометрические сенсоры

< Лекция 15 || Лекция 16: 123456 || Лекция 17 >

Аннотация: Изложены принципы работы электрохимических биосенсоров, химически чувствительных полевых транзисторов, кондуктометрических (импедансных) и амперометрических (кулонометрических) сенсоров. Описаны примеры и преимущества таких сенсоров и сферы их применения.

Ключевые слова: представление, химически чувствительный полевой транзистор, полевой транзистор, электрохимический сенсор, потенциометрический биосенсор, электрохимический биосенсор, биоселектор, электрохимический элемент, электрический сигнал, функциональная схема, затраты, мутант, класс, активность, МДП, ХЧПТ, мембраны, химически чувствительный полевой транзистор (ХЧПТ), потенциометрический сенсор, интеллектуальный сенсор, граница раздела, кондуктометрический сенсор, кондуктометр, пространственное разделение, импедансный газовый сенсор, импедансный сенсор, амперометрический сенсор, гальванический электрод, дезоксирибонуклеиновая кислота, кулонометрический сенсор, глюкометр, энергопотребление, основание, стационарное значение, разность, диапазон, чувствительный элемент, активная область

intuit.ru/2010/edi»>Цель лекции: сформировать у слушателей общее представление об электрохимических биосенсорах и принципах их функционирования. Объяснить устройство и работу химически чувствительных полевых транзисторов, их достоинства. Показать перспективность создания биоселективных полевых транзисторов с высаженными на них живыми клетками. Объяснить принципы действия кондуктометрических, импедансных, амперометрических и кулонометрических электрохимических сенсоров. Указать на их полезные особенности. Привести примеры таких сенсоров и очертить области их эффективного применения.

16.1. Электрохимические биосенсоры

«Принципы работы электрохимических сенсоров. Потенциометрические сенсоры» мы закончили рассказом о потенциометрических биосенсорах, в которых в качестве модификатора применяют природные ферменты. Здесь мы продолжим эту тему и вкратце расскажем об электрохимических биосенсорах в целом. Ведь для «распознавания» аналита в электрохимических сенсорах, кроме ферментов, могут быть применены также и другие биологические структуры: нуклеиновые кислоты, антитела, живые клетки и даже живые рецепторы, взятые из животных, растений, микроорганизмов [208, 285]. Поскольку все они имеют биологическое происхождение, и именно они обеспечивают селективную реакцию на нужный аналит, то все такие структуры стали называть » биоселекторами «. Иммобилизованный (т.е. осажденный и закрепленный) на электроде или на мембране биоселектор при наличии в контролируемой среде аналита вступает с ним (и только с ним!) в специфическое взаимодействие. Биоселектор подбирают так, чтобы в результате взаимодействия с аналитом возникали (или, наоборот, расходовались) электрохимически активные продукты (ионы, аммиак, перекись водорода, фтор, и т.п.). Изменение их концентрации улавливает селективно чувствительный к ним электрохимический элемент, вырабатывая соответствующий электрический сигнал. Этот сигнал усиливается и обрабатывается в электронном блоке.

Общая функциональная схема электрохимических биосенсоров показана на рис. 16.1.

Рис. 16. 1. Функциональная схема электрохимического биосенсора

При реализации электрохимических биосенсоров особенно перспективно воспользоваться одним из выдающихся достижений современной биотехнологии и биоинженерии, а именно – хорошо отработанными методами осаждения живых клеток на полимеры и на твердые подложки разной природы с целью организации управляемого биосинтеза, для анализа, для решения медицинских задач и т.п. [ [ 182 ] , [ 236 ] ].

Живые клетки растений, животных и особенно микроорганизмов легко доступны, могут культивироваться и воссоздаваться в чистой культуре. В отличие, например, от ферментов здесь не нужны значительные затраты на выделение и очищение. Для многих видов клеток разработаны эффективные методы генетических манипуляций, позволяющие получать мутанты с высоким содержанием того или иного фермента либо белка. Особенности метаболизма клеток позволяют подбирать клетки как избирательно чувствительные к отдельным видам молекул, так и ориентированные на довольно широкие классы химических веществ (даже, например, на весь класс веществ, пригодных для биологического усвоения). Разработанные методы иммобилизации живых клеток позволяют поддерживать их жизнеспособность и активность в течение нескольких лет.

Особенно выигрышно сочетать преимущества живых клеток в качестве биоселекторов с преимуществами химически чувствительных полевых транзисторов, к описанию которых мы переходим.

16.2. Химически чувствительный полевой транзистор

16.2.1. Структура и принцип действия

Значительный вклад в совершенствование электрохимических сенсоров внесло применение МДП транзисторов, структура и принцип действия которых рассмотрены в «Сенсоры на полевых транзисторах и на приборах с отрицательной ВАХ.

Газоразрядные сенсоры» (раздел 3). На рис. 16.2 показаны дополнительные элементы структуры, которые делают такой транзистор химически чувствительным. Вентильный электрод здесь может и отсутствовать. Вместо него на тонкий слой диэлектрика наносят чувствительную мембрану, которая и обеспечивает селективную реакцию транзистора на определенные химические вещества. Транзистор со всех сторон, кроме этой мембраны, защищают изолирующим компаундом, поверх которого наносят электрод сравнения.

Рис. 16.2. Структура химически чувствительного полевого транзистора (ХЧПТ)

Перед измерением сверху на чувствительную мембрану капают небольшое количество контролируемого раствора так, чтобы он покрыл часть нанесенного поверх компаунда электрода сравнения. В другом варианте ХЧПТ погружают в контролируемый раствор.

intuit.ru/2010/edi»>При измерениях между электродом сравнения и основой из кремния -типа подают постоянное напряжение смещения с таким расчетом, чтобы при отсутствии в контролируемом растворе аналита в приповерхностной области кремния между истоком и стоком образовался тонкий индуцированный канал -типа. Между истоком и стоком подают небольшое напряжение и измеряют электрический ток, который протекает через транзистор. Как описано в лекции 10, этот ток зависит от потенциала на затворе транзистора. В данном случае роль затвора играет химически чувствительная мембрана. Как только в контролируемом растворе появляется аналит или возрастает его концентрация, то изменяется перепад потенциала на электроде сравнения и потенциал чувствительной мембраны. Это приводит к соответствующему изменению электрического тока через транзистор, которое легко измеряется.

Преимуществами ХЧПТ как электрохимического сенсора являются обычно присущая ему высокая чувствительность, малые габариты и энергопотребление, возможность формирования на том же кристалле кремния в едином технологическом процессе также всех электронных схем, необходимых для обработки полученных сигналов, для уменьшения влияния помех и шумов, для термокомпенсации. Преимуществами являются, конечно, и относительно небольшая цена, и малый требуемый объем пробы [ [ 208 ] , [ 286 ] ].

16.2.2. Ионоселективный полевой транзистор

Чтобы повысить селективность химически чувствительного полевого транзистора по отношению к определенному виду ионов, используют разные способы, в первую очередь, – модификацию. Например, достаточно селективный отклик на ионы водорода получают заменой тонкого слоя окисла над инверсионной областью МДП транзистора на тонкий слой нитрида кремния ( ). Такой транзистор называют » -селективным».

Натрий ( )-селективный полевой транзистор формируют посредством нанесения на тонкий слой подзатворного диэлектрика боросиликатного стекла нужного состава.

Если на тонкий слой диэлектрика нанести полимерную пленку с примесью валиномицина или краун-эфира, то полевой транзистор становится калий ( )-селективным.

Если же полимерную пленку модифицировать -(1,1,3,3-тетраметил-бутил)-фенилфосфорной кислотой, то полевой транзистор становится -селективным [ [ 339 ] ].

Модифицированные таким образом полевые транзисторы называют ионоселективными (сокращенно «ИСПТ»).

В [ [ 339 ] ] описан миниатюрный потенциометрический сенсор на ИСПТ, предназначенный для одновременного измерения в контролируемом растворе концентрации 4-х вышеупомянутых видов ионов. Этот мультисенсор состоит из пяти ИСПТ, сформированных на одном кристалле кремния ( рис. 16.3). Один из них является -селективным, второй – натрий-селективным, третий – калий-селективным, четвертый – кальций-селективным. Пятый используется в качестве опорного полевого транзистора, затвор которого выполняет роль электрода сравнения.

На этом же кристалле кремния сформированы также все необходимые электронные схемы обработки и усиления измерительных сигналов. Весь кристалл с внешними выводами, кроме зоны контакта с контролируемым раствором, защищают изолирующим компаундом. При измерениях кристалл на некоторое время опускают в контролируемый раствор или капают на него контролируемый раствор сверху. Внешние выводы соединены с небольшим электронным блоком, на дисплей которого и выводятся результаты измерения.

Рис. 16.3. «Линейка» из пяти ионоселективных полевых транзисторов: ИСПТ0 – опорный полевой транзистор; ИСПТ1 – рН-чувствительный полевой транзистор; ИСПТ2 – Na+-селективный полевой транзистор; ИСПТ3 – калий-селективный полевой транзистор; ИСПТ4 – кальций-селективный полевой транзистор

16.2.3. Биоселективный полевой транзистор

Представим теперь себе, что на чувствительной поверхности ХЧПТ методами биоинженерии и микробиологии, высажена живая клетка, избирательно реагирующая на то или иное внешнее влияние, и что естественная реакция высаженной клетки на это влияние изменяет электрический ток через ХЧПТ. Это может происходить как непосредственно, если реакция высаженной клетки состоит в изменении ее собственного электрического потенциала, а значит, и потенциала затвора ХЧПТ, так и опосредованно, если клетка реагирует на внешнее влияние рядом биохимических реакций, продукты которых являются электрохимически активными. Вследствие этого мы получаем очень чувствительный биоэлектронный сенсор. Учитывая очень малые размеры как ХЧПТ, так и осаждаемых на них клеток-рецепторов, на одном кристалле кремния можно создать довольно большой массив чувствительных к разным аналитам сенсоров. Тогда кристалл параллельно будет собирать информацию о довольно детальном химическом составе внешней среды и об изменениях, которые в ней происходят. А созданный на основе такого массива интеллектуальный электрохимический биосенсор будет соответствующим образом обрабатывать всю эту информацию и выдавать ее в готовом виде пользователю или в компьютерную сеть. Создание таких интеллектуальных сенсоров стало уже делом сегодняшней науки и технологии.

Дальше >>

< Лекция 15 || Лекция 16: 123456 || Лекция 17 >

Полевые транзисторы

Первые патенты на принцип работы полевого транзистора были зарегистрированы на имя Юлия Лилиенфельда в 1926 и 1933 гг. В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн работали над созданием полевого транзистора. Однако в ходе работы они столкнулись с серьёзными трудностями и переключились на разработку биполярного транзистора.

Теория униполярного транзистора Шокли была опубликована в 1952 году. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, — в 1960 году.

Полевой транзистор — униполярное устройство, поскольку протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками). Если он основан на полупроводнике типа n, то основным носителем заряда являются электроны, а в случае полупроводника p-типа основным носителем заряда являются дырки.

На уровне схемы функционирование полевых транзисторов не такое сложное. Напряжение, приложенное к затвору (англ. gate), входному элементу, управляет сопротивлением канала (англ. channel)(см. рисунок ниже). В полевом транзисторе с каналом n-типа, он представляет собой слаболегированный кристалл кремния с электронной проводимостью с установленными с двух сторон электродами. Эти электроды, называемые истоком (англ. source) и стоком (англ. drain) аналогичны эмиттеру и коллектору биполярного транзистора соответственно. В полевом транзисторе с каналом n-типа, с двух сторон по центру кристалла созданы две сильнолегированные области p-типа, которые являются управляющим электродом, затвором. Затвор аналогичен базе биполярного транзистора.

Принцип «чистота — лучшая красота» применим к производству полевых транзисторов. Обязательным условием производства полевых транзисторов является чистое производственное помещение. И при этом должен постоянно вестись контроль уровня загрязнения производственных помещений. Концептуально униполярные транзисторы просты, однако их довольно сложно производить. Большая часть современных транзисторов имеет структуру металл-оксид-полупроводник (МОП) в составе интегральных схем. Однако также используются и дискретные полевые транзисторы.

Полевой транзистор

На рисунке выше изображён полевой транзисторе с каналом n-типа. Затвор представляет собой диодный переход в кристалле полупроводника между истоком и стоком. Затвор смещён в обратном направлении. Если бы мы установили вольтметр (или омметр) между истоком и стоком, то увидели бы, что транзистор с каналом n-типа проводит в обоих направлениях вследствие наличия примеси. Для обеспечения проводимости не требуется ни сам затвор, ни напряжение смещения на затворе. Однако, когда переход затвора сделан так, как показано на рисунке, током можно управлять посредством изменения напряжение смещения на затворе.

На рисунке ниже (a) показана обеднённая область на переходе затвора. Она возникает в связи с диффузией дырок из области затвора p-типа в канал n-типа Область обеднения расширяется глубже в канал вследствие сильного легирования затвора и слабого легирования канала.

Полевой транзистор с каналом n-типа: (a) обеднение на переходе затвора, (b) обратносмещённый затвор увеличивает область обеднения, © при увеличении напряжения обратного смещения область обеднения увеличивается, (d) при дальнейшем увеличении напряжения обратного смещения происходит отсечка канала исток-сток

Толщина области обеднения может быть увеличена посредством приложения умеренного напряжения обратного смещения. Вследствие этого увеличивается сопротивление канала исток-сток, что вызвано сужением канала. При увеличении напряжения обратного смещения © увеличивается область обеднения, уменьшается ширина канала, а также увеличивается сопротивление канала. При увеличении напряжения обратного смещения V_ЗИ (рис. d) происходит отсечка тока канала. Сопротивление канала будет очень высоким. Это напряжение, при котором происходит отсечка V_отс, называется напряжением отсечки. Обычно оно составляет несколько вольт. Подведём итог, сопротивление канала контролируется величиной напряжения обратного смещения на затворе.

Исток и сток взаимозаменяемы, а ток истока-сток может протекать в двух направлениях при низком уровне напряжения стока (СИ, область обеднения затвора расширяется в сторону стока. Вследствие этого увеличивается длина узкого канала, увеличивая в некоторой степени его сопротивление. Мы говорим «в некоторой степени», потому что сильное изменение сопротивления обусловлено смещением затвора. На рисунке ниже (b) показано условное обозначение на схемах n-канального полевого транзистора, а также поперечное сечение кристалла (рис. (а)). Стрелка затвора направлена в ту же сторону, что и диодный переход.

Движение тока от истока к стоку в n-канальном полевом транзисторе: (a) поперечное сечение, (b) условное обозначение

На рисунке выше показано движение электронов от (-) вывода батареи, к истоку транзистора, затем на сток, и обратно к (+) выводу батареи. Движением электронов можно управлять посредством изменения напряжения на затворе. Включённая последовательно с батареей нагрузка «видит» усиленную версию изменяемого напряжения затвора.

Существуют также полевые транзисторы с каналом p-типа. Канал сделан из материала p-типа. Затвор представляет собой сильнолегированную область n-типа. Полярность источников тока изменена на противоположную по сравнению с более распространёнными транзисторами с каналом n-типа.Также стоит отметить, что на условном обозначении (b) полевого транзистора с каналом p-типа стрелка направлена в сторону от затвора.

Полевой транзистор с каналом p-типа: (a) затвор n-типа, канал p-типа, изменённая полярность источников по сравнению с транзистором с каналом n-типа. (b) Обратите внимание на направление стрелки и источники напряжения на условном обозначении

По мере увеличения напряжения затвора, сопротивление p-канала возрастает, в связи с чем сокращается поток электронов в цепи стока.

На рисунке ниже показано поперечное сечение дискретных транзисторов. Поперечный разрез, сориентированный так, чтобы соответствовать условному обозначению, перевёрнут по отношению к полупроводниковой пластине. То есть, соединения затвора находятся в верхней части полупроводниковой пластины. Затвор сильно легирован, P⁺, для обеспечения диффундирования дырок в n-область для создания значительной области обеднения. Исток и сток сильно легированы N⁺ с целью уменьшения сопротивления. Тем не менее канал вокруг затвора слабо легирован для диффундирования дырок. Это область N^—.

Полевой транзистор: (a) поперечное сечение дискретного прибора, (b) условное обозначение, © поперечное сечение интегрального транзистора

Все три вывода транзистора расположены в верхней части интегрального транзистора с тем, чтобы слой металлизации (не показан) мог быть соединён с несколькими компонентами. Интегральные полевые транзисторы применяются в аналоговых схемах в случае высокого входного сопротивления затвора. Канал n-типа под затвором должен быть очень тонким, чтобы было возможно управлять каналом или же создавать отсечку. Следовательно, области затвора с двух сторон от канала не обязательны.

Полевой транзистор (со статической индукцией): (a) поперечное сечение, (b) условное обозначение

Полевой транзистор со статической индукцией представляет собой прибор с коротким каналом и скрытым затвором (см. рисунок выше). Это очень мощный быстропереключающийся прибор, что достигается благодаря низкому сопротивлению затвора и низкой ёмкости затвор-исток. Такой транзистор способен выдерживать сотни ампер и тысячи вольт, а также способен работать на частоте до 10 ГГц.

Полевой транзистор со структурой металл — полупроводник: (a) условное обозначение, (b) поперечное сечение

Полевой транзистор со структурой металл — полупроводник отличается от обычного полевого транзистора наличием барьера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). На рисунке выше исток и сток сильно легированы (N⁺). Канал слабо легирован (N^—). Полевой транзистор со структурой металл — полупроводник отличаются более высокой скоростью. Полевые транзисторы со структурой металл — полупроводник являются приборами, работающими в режиме обеднения носителями. Они используются в качестве СВЧ-усилителей (частота до 30 ГГц). Полевые транзисторы со структурой металл — полупроводник могут производиться из кремния, арсенида галлия, карбида кремния.

• РЕЗЮМЕ:

• Униполярный транзистор получил своё название поскольку протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками).

• Исток, затвор и сток полевого транзистора соответствуют эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора.

• При приложении напряжения обратного смещения к затвору изменяется сопротивление канала, что связано с расширением области обеднения.

Нравится

Твитнуть

Сегнетоэлектрический полупроводниковый полевой транзистор

• Артикул
• Опубликовано: 09 декабря 2019 г.

• Мэнвэй Си ORCID: orcid.org/0000-0003-0397-7741 ^1,2 ,
• Атану К. Саха ¹ ,
• Шэнцзе Гао ^2,3 ,

  4 Ганг

  ^{ORCID: orcid.org/0000-0003-2248-3253 1,2 ,}
• Jingkai Qin ^1,2 ,
• Yuqin Duan ^1,2 ,
• Jie Jian ⁴ ,
• Chang Niu ^1,2 ,
• Haiyan WANG Wangan Wangan Wangan Wangan Wangan Wangan Wangan Wangyan Wangyan Wangan Wan ORCID: orcid.org/0000-0002-7397-1209 ⁴ ,
• Wenzhuo Wu ^2,3 ,
• Sumeet K. Gupta ¹ &
• 4 Ye.
• 4 900 D ORCID: orcid. org/0000-0001-8466-9745 ^1,2  

Природная электроника том 2 , страницы 580–586 (2019)Процитировать эту статью

• 14 тыс. обращений

• 167 цитат

• 65 Альтметрический

• Сведения о показателях

Субъекты

• Электронные устройства

Abstract

Сегнетоэлектрические полевые транзисторы используют ферроэлектрический материал в качестве изолятора затвора, состояние поляризации которого можно определить с помощью проводимости канала устройства. В результате устройства потенциально могут использоваться в технологии энергонезависимой памяти, но они имеют короткое время хранения, что ограничивает их более широкое применение. Здесь мы сообщаем о сегнетоэлектрическом полупроводниковом полевом транзисторе, в котором двумерный сегнетоэлектрический полупроводник, селенид индия (α-In ₂ Se ₃ ), используется в качестве материала канала в устройстве. α-In ₂ Se ₃ был выбран из-за его соответствующей ширины запрещенной зоны, сегнетоэлектричества при комнатной температуре, способности поддерживать сегнетоэлектричество вплоть до нескольких атомных слоев и его потенциала для роста на больших площадях. Метод пассивации, основанный на осаждении атомарного слоя оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ), был разработан для защиты и повышения производительности транзисторов. С оксидом гафния толщиной 15 нм (HfO ₂ ) в качестве масштабированного диэлектрика затвора, полученные устройства обеспечивают высокую производительность с большим окном памяти, высоким коэффициентом включения / выключения более 10 ⁸ , максимальным током включения 862 мкА ^-1 мкм и низким напряжение питания.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Достижение программно-эквивалентной точности для гиперпространственных вычислений с помощью ферроэлектрических вычислений в памяти

  • Арман Каземи
  • , Франц Мюллер
  •  … Майкл Нимьер

  Научные отчеты Открытый доступ 10 ноября 2022 г.

• Гигантская сегнетоэлектрическая поляризация в двухслойной графеновой гетероструктуре

  • Руируй Ню
  • , Чжосянь Ли
  •  … Цзяньмин Лу

  Связь с природой Открытый доступ 21 октября 2022 г.

• Двумерные полупроводники для конкретных электронных приложений: от устройства к системе

  • Сяохэ Хуан
  • , Чунсен Лю
  •  и Пэн Чжоу

  npj 2D-материалы и приложения Открытый доступ 01 августа 2022 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

118,99 €

всего 9,92 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Принципиальная схема и предложение для ферроэлектрического полупроводникового полевого транзистора (FeS-FET). Рис. 2: Свойства материала сегнетоэлектрического полупроводника α-In ₂ Se ₃ . Рис. 3: Измерение PFM на тонкой пленке α-In ₂ Se ₃ . Рис. 4: Характеристики переключения α-In ₂ Se ₃ FeS-FET. Рис. 5: Моделирование α-In ₂ Se ₃ FeS-FET.

Доступность данных

Данные, подтверждающие графики в этой статье и другие результаты этого исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу. Необработанные данные для измерений PFM представлены в дополнительной информации.

Ссылки

1. Миллер С.Л. и Маквортер П.Дж. Физика сегнетоэлектрического полевого транзистора с энергонезависимой памятью. J. Appl. физ. 72 , 5999–6010 (1992).

   Артикул Google ученый

2. Ишивара, Х. Текущее состояние и перспективы сегнетоэлектрической памяти на полевых транзисторах. Дж. Полуконд. Технол. науч. 1 , 1–14 (2001).

   Google ученый

3. Ишивара, Х. FeFET и ферроэлектрические оперативные запоминающие устройства. Дж. Наноски. нанотехнологии. 12 , 7619–7627 (2012).

   Артикул Google ученый

4. Мюллер, Дж. и др. Наносекундное переключение поляризации и длительное удержание в новом MFIS-FET на основе сегнетоэлектрика HfO ₂ . IEEE Electron Device Lett. 33 , 185–187 (2012).

   Артикул Google ученый

5. Юрчук Е. и др. Происхождение ухудшения долговечности новых ферроэлектрических энергонезависимых запоминающих устройств на основе HfO ₂ 1T. На Международном симпозиуме по физике надежности IEEE 2E.5.1–2E.5.5 (IEEE, 2014).

6. Юрчук Э. и др. Явление захвата заряда в энергонезависимой памяти типа FeFET на основе HfO ₂ . IEEE Trans. Электронные устройства 63 , 3501–3507 (2016).

   Артикул Google ученый

7. Muller, J. et al. Стратегии высокой износостойкости для сегнетоэлектрического полевого транзистора на основе оксида гафния. In 2016 16 th Симпозиум по технологиям энергонезависимой памяти (NVMTS) 7781517 (IEEE, 2016).

8. «>

   Chung, W., Si, M. & Ye, P.D. Безгистерезисные германиевые КМОП-транзисторы FinFET с отрицательной емкостью и двунаправленным сигналом менее 60  мВ/дек. В материалах Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting 365–368 (IEEE, 2017).

9. Chung, W. et al. Первые прямые экспериментальные исследования переключения сегнетоэлектрической поляризации Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ до 100 пикосекунд в германиевых ферроэлектрических полевых транзисторах с нанопроволокой со скоростью менее 60  мВ/дек. На симпозиуме по технологии СБИС 89–90 (IEEE, 2018).

10. Yoo, H.K. et al. Разработка скорости сегнетоэлектрического переключения в легированном кремнием HfO ₂ для высокоскоростного применения 1T-FERAM. In Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting 481–484 (IEEE, 2017).

11. Дюнкель, С. и др. Сверхбыстрая встраиваемая технология NVM со сверхнизким энергопотреблением на основе FeFET для 22-нм FDSOI и выше. В материалах Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting 485–488 (IEEE, 2017).

12. Si, M. et al. Отрицательная емкость без гистерезиса MoS ₂ транзисторов с крутым наклоном. Нац. нанотехнологии. 13 , 24–29 (2018).

    Артикул Google ученый

13. Si, M., Liao, P.-Y., Qiu, G., Duan, Y. & Ye, P.D. Сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе MoS ₂ и CuInP ₂ S ₆ двумерная ван-дер-ваальсова гетероструктура. ACS Nano 12 , 6700–6705 (2018 г.).

    Артикул Google ученый

14. Миколайк Т., Шлезачек С., Парк М. Х. и Шредер У. Сегнетоэлектрический оксид гафния для ферроэлектрических запоминающих устройств с произвольным доступом и ферроэлектрических полевых транзисторов. МИССИС Бык. 43 , 340–346 (2018).

    Артикул Google ученый

15. Li, J. et al. Сверхбыстрое переключение поляризации в тонкопленочных сегнетоэлектриках. Заяв. физ. лат. 84 , 1174–1176 (2004).

    Артикул Google ученый

16. Ларсен, П.К., Кампшёр, Г.Л.М., Уленаерс, М.Дж.Э., Спирингс, Г.А.К.М. и Куппенс, Р. Наносекундное переключение тонких сегнетоэлектрических пленок. Заявл. физ. лат. 59 , 611–613 (1991).

    Артикул Google ученый

17. Росс И. М. Полупроводниковое переводящее устройство. Патент США 2791760 (1957 г.).

18. Ма, Т. П. и Хан, Дж. П. Почему полевой транзистор с энергонезависимой сегнетоэлектрической памятью все еще неуловим? IEEE Electron Device Lett. 23 , 386–388 (2002).

    Артикул Google ученый

19. «>

    Zhou, Y. et al. Внеплоскостное пьезоэлектричество и сегнетоэлектричество в слоистых наночешуйках α-In ₂ Se ₃ . Нано Летт. 17 , 5508–5513 (2017).

    Артикул Google ученый

20. Дин, В. и др. Прогноз собственных двумерных сегнетоэлектриков в ван-дер-ваальсовых материалах In ₂ Se ₃ и других III ₂ –VI ₃ . Нац. коммун. 8 , 14956 (2017).

    Артикул Google ученый

21. Cui, C. et al. Взаимокоррелированное плоскостное и внеплоскостное сегнетоэлектричество в сверхтонком двумерном слоистом полупроводнике In ₂ Se ₃ . Нано Летт. 18 , 1253–1258 (2018).

    Артикул Google ученый

22. Xiao, J. et al. Собственное двумерное сегнетоэлектричество с дипольной синхронизацией. Физ. Преподобный Летт. 120 , 227601 (2018).

    Артикул Google ученый

23. Zheng, C. et al. Сегнетоэлектричество в плоскости при комнатной температуре в Ван-дер-Ваальсе In ₂ Se ₃ . Науч. Доп. 4 , eaar7720 (2018).

    Артикул Google ученый

24. Ван, С. и др. Сегнетоэлектричество при комнатной температуре и эффект переключаемого диода в двумерном α-In ₂ Se ₃ тонкие слои. Nanoscale 10 , 14885–14892 (2018).

    Артикул Google ученый

25. Сюэ, Ф. и др. Перестраиваемые затвором и многонаправленные мемристивные явления в ван-дер-ваальсовом сегнетоэлектрике. Доп. Матер. 31 , 1

0 (2019).

Артикул Google ученый

26. «>

    Лин, М. и др. Контролируемый рост атомарно тонкого In ₂ Se ₃ чешуйки методом ван-дер-ваальсовой эпитаксии. Дж. Ам. хим. соц. 135 , 13274–13277 (2013).

    Артикул Google ученый

27. Zhou, J. et al. Контролируемый синтез высококачественного монослоя α-In ₂ Se ₃ методом физического осаждения из паровой фазы. Нано Летт. 15 , 6400–6405 (2015).

    Артикул Google ученый

28. McClellan, C.J., Yalon, E., Smithe, K.K., Suryavanshi, S.V. & Pop, E. Эффективное легирование n-типа монослоя MoS ₂ AlO _x . 75-я ежегодная конференция по исследованию устройств (DRC) 7999392 (IEEE, 2017).

29. Цю, Г. и др. Высокопроизводительные малослойные КМОП-устройства на основе теллура, созданные с помощью метода легирования диэлектрика с осаждением атомарного слоя. In 76-я ежегодная конференция по исследованию устройств (DRC), 2018 г. 8442253 (IEEE, 2018 г.).

30. Пауэлл, М. Дж. Нестабильность захвата заряда в тонкопленочных транзисторах из аморфного кремния и нитрида кремния. Заяв. физ. лат. 43 , 597–599 (1983).

    Артикул Google ученый

31. Park, S.J. et al. Энергонезависимые транзисторы с реконфигурируемыми нанопроволоками кремния. Доп. Электрон. Матер. 4 , 1700399 (2018).

    Артикул Google ученый

Загрузить ссылки

Благодарности

Эта работа была частично поддержана программой NSF/AFOSR EFRI 2DARE и частично ASCENT, одним из шести центров JUMP, программы Semiconductor Research Corporation (SRC), спонсируемой DARPA. Дж.Дж. и Х.В. выражают признательность Управлению военно-морских исследований США за поддержку проекта TEM в Пердью.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Школа электротехники и вычислительной техники, Университет Пердью, Уэст-Лафайет, Индиана, США

   Mengwei Si, Atanu K. Saha, Gang Qiu, Jingkai Qin, Yuqin Duan, Chang Niu, Sumeet K. Gupta & Peide D. Ye

2. Центр нанотехнологий Birck, Университет Пердью, Западный Лафайет, Индиана, США

   67 Mengwei Si, Shengjie Gao, Gang Qiu, Jingkai Qin, Yuqin Duan, Chang Niu, Wenzhuo Wu & Peide D. Ye

3. Школа промышленного проектирования, Университет Purdue, West Lafayette, IN, USA

   Shengjie Gao & Wenzho Wenzho

4. School of Materials Science and Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN, USA

   Jie Jian & Haiyan Wang

Авторы

1. Mengwei Si

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

2. Atanu K. Saha

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Shengjie Gao

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. Gang Qiu

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Jingkai Qin

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

6. Yuqin Duan

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

7. Jie Jian

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

8. Chang Niu

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

9. Haiyan Wang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

10. Wenzhuo Wu

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

11. Sumeet K. Gupta

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

12. Peide D. Ye

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Взносы

P.D.Y. и М.С. придумал идею и предложил концепцию FeS-FET. РС. выполнено изготовление устройства, электрические измерения и анализ. А.К.С. и С.К.Г. выполнил численное моделирование. С.Г. и В.В. выполненные измерения PFM. Дж.К., Дж.Дж. и Х.В. провели измерения ПЭМ и ЭДС. Ю.Д. и М.С. провели СЭМ-изображение и анализ ЭДС. Г.К. получены измерения комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции. Г.К. и К.Н. исполнение низкотемпературное I – V и измерения Холла. РС. и П.Д.Ю. был соавтором рукописи, и все авторы прокомментировали ее.

Автор, ответственный за переписку

Пейде Д.Е.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Дополнительная информация

Дополнительная информация

Дополнительные разделы 1–8.

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Сегнетоэлектрический порядок в ван-дер-ваальсовых слоистых материалах

  • Давэй Чжан
  • Пегги Шенхерр
  • Ян Зайдель

  Материалы Nature Reviews (2022)

• Межфазное сегнетоэлектричество в ромбоэдрических бислойных дихалькогенидах переходных металлов

  • Шируи Ван
  • Кенджи Ясуда
  • Пабло Харилло-Эрреро

  Природа Нанотехнологии (2022)

• Оптоэлектронный синапс на основе α-In2Se3 с управляемой временной динамикой для многомодовых и многомасштабных вычислений резервуаров

  • Кэцинь Лю
  • Тэн Чжан
  • Ючао Ян

  Натур Электроникс (2022)

• Двумерные полупроводники для конкретных электронных приложений: от устройства к системе

  • Сяохэ Хуан
  • Чунсен Лю
  • Пэн Чжоу

  npj 2D материалы и приложения (2022)

• Гигантская сегнетоэлектрическая поляризация в двухслойной графеновой гетероструктуре

  • Руируй Ню
  • Чжосянь Ли
  • Цзяньмин Лу

  Nature Communications (2022)

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы — Полевые транзисторы

Полевые транзисторы

Полевой транзистор второго типа имеет некоторые преимущества перед JFET. Это устройство представляет собой полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET). MOSFET имеет еще более высокое входное сопротивление, чем JFET. Следовательно, МОП-транзистор еще меньше нагружает предшествующие цепи. Чрезвычайно высокое входное сопротивление в сочетании с высоким коэффициентом усиления делает MOSFET — высокоэффективное входное устройство для ВЧ/ПЧ усилителей и смесителей. для многих типов испытательного оборудования.

МОП-транзистор обычно сконструирован так, что он работает в одном из двух основных режимы: режим истощения или режим улучшения. Режим истощения MOSFET имеет сильно легированный канал и использует обратное смещение на затворе, чтобы вызвать истощение носителей тока в канале. JFET также работает в этом способ. Полевой МОП-транзистор в режиме улучшения имеет слегка легированный канал и использует прямое смещение для усиления текущих несущих в канале. МОП-транзистор может быть построены так, что будут работать в любом режиме в зависимости от типа смещения применяется, что позволяет увеличить диапазон входных сигналов.

В дополнение к двум основным режимам работы MOSFET, как и JFET, относится либо к P-канальному, либо к N-канальному типу. Каждый тип имеет четыре элементы: затвор, исток, сток, подложка. Схематические символы для четыре основных варианта MOSFET показаны на видах A, B, C и D рисунок ниже.

символы MOSFET.

Конструкция N-канального МОП-транзистора показана на рисунке ниже. Сильно легированные области N-типа (обозначенные N+) диффундируют в P-тип подложка или основа. Канал обычного материала N-типа диффундирует между сильно легированные области N-типа. Затем формируется изолирующий слой из оксида металла. над каналом, а слой металлического затвора осаждается поверх изолирующего слой. Нет электрического соединения между воротами и остальной частью Устройство. Этот метод строительства приводит к чрезвычайно высокой входной мощности. импеданс МОП-транзистора. Другое распространенное название устройства, производное из метода построения, это эффект поля изолированного затвора транзистор (БТПТ).

Структура МОП-транзистора.

Работа MOSFET или IGFET в основном аналогична работе JFET. Течение тока между истоком и стоком можно контролировать с использованием одного из двух методов или с использованием комбинации двух методов. В одном методе напряжение стока управляет током, когда потенциал затвора находится при нуле вольт. Во втором способе на затвор подается напряжение. Электрическое поле формируется напряжением затвора, которое влияет на ток поток в канале, либо истощая, либо увеличивая количество текущих доступные перевозчики. Как указывалось ранее, на затвор подается обратное смещение. истощает носители, а прямое смещение увеличивает их. Полярность напряжения, необходимого для прямого или обратного смещения MOSFET, зависит от независимо от того, относится ли он к типу P-канала или к типу N-канала. Эффекты напряжения обратного смещения на полевом МОП-транзисторе, предназначенном для работы в режиме обеднения показаны на видах A, B и C рисунка ниже. Количество применяемое обратное смещение оказывает прямое влияние на ширину тока канала и, таким образом, величина тока стока ( I _D ).

Влияние смещения на N-канальный полевой МОП-транзистор.

На рисунке ниже показано влияние прямого смещения на улучшение режим N-канальный MOSFET. В этом случае на затвор подается положительное напряжение увеличивает ширину канала тока и величину тока стока ( I _D ).

Влияние смещения на N-канальный полевой МОП-транзистор.

Полевые МОП-транзисторы, обсуждавшиеся до этого момента, имеют однозатворные МОП-транзисторы. Другой тип МОП-транзистора с двойным затвором показан на рисунке ниже. Поскольку подложка была подключена непосредственно к терминалу источника, полевой МОП-транзистор с двойным затвором по-прежнему имеет только четыре вывода: по одному для истока и стока, и два для ворот. Любые ворота могут контролировать проводимость независимо друг от друга. что делает этот тип МОП-транзистора действительно универсальным устройством.

МОП-транзистор с двойным затвором.

Одна проблема как с однозатворным, так и с двойным затвором MOSFET заключается в том, что оксид Слой между затвором и каналом может быть очень легко разрушен обычным статическое электричество.