Site Loader

Содержание

Применение полевого транзистора

Полевые транзисторы используют как аналоговые выключатели. Применение их как выключателей в аналоговых схемах является прямым следствием их способа работы. Это обусловлено тем обстоятельством, что когда напряжение на затворе-источнике, VGS равно нулю, n-канал транзистора будет работать в области насыщения и будет действовать почти как небольшая схема.

Таким образом, напряжение на выходе будет равно нулю (Рисунок 1). С другой стороны, если отрицательное напряжение находится между выводами затвора и источника i.e., если VGS отрицательно, то транзистор работает в области выключения или в области отсечки.

Это означает, что в данном случае полевой транзистор действует как открытая схема и ток стока, ID будет равен нулю. Вследствие этого, напряжение через загрузочное сопротивление RD будет равно нулю, что порождает то обстоятельство, что VDD похоже на V0.

Рисунок 1 Полевой транзистор как аналоговый выключатель

Это свойство вести себя как выключатель может быть использовано для проектирования аналогового мультиплексора, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 n-к-1 Мультиплексор, использующий полевые транзисторы.

Тут каждый из сигналов на входе (сигнал 1, сигнал 2, … сигнал n) проходит через выделенный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (T1, T2, … Tn) перед контактом с выводом выхода, V0. Тут лишь один сигнал среди множества сигналов на входе возникает на выводе выхода, в зависимости от напряжения VGS на выводах затвора.

К примеру, если VGS2 отрицательное, в то время как все остальные VGS равны нулю, то сигнал на выходе будет Сигналом 2. Более того, способность к выключению у биполярных транзисторов с изолированным затвором используется в двигателе внутреннего сгорания, а именно в обмотках, ответственных за возгорание, которые требуют быстрого выключения и возможностей блокировки напряжения.

Усилители

Переход в полевых транзисторах используется на стадии усиления. Он изолирует предыдущую стадию от следующей стадии и, таким образом, действует как буферные усилители (Рисунок 3). Это обусловлено тем, что такие транзисторы имеют очень высокое полное сопротивление на входе, в силу чего предыдущая стадия будет слегка загружена, вызывая полный выход Стадии 1, возникая на входе буфера.

Можно сделать так, что весь выход буфера будет возникать на входе в Стадии 2, используя данные транзисторы в конфигурации общего стока, благодаря низкому полному сопротивлению на выходе. Это даже значит, что буферные усилители способны к управлению большими нагрузками или сопротивлениями с небольшой нагрузкой.

Рисунок 3 Полевой транзистор как буферный усилитель

Полевые транзисторы являются устройствами, которые издают мало шума, по крайней мере, если сравнивать их с биполярными плоскостными транзисторами. Это делает их полезными компонентами для использования в качестве усилителя на приёмниках с внешним интерфейсом, ведь они нуждаются в минимальном уровне шума на выходе в итоге.

Стоит также отметить, что полевые транзисторы являются устройствами с контролируемым напряжением, что делает их идеальными для использования в качестве усилителей для радио частот. Причина этого в том, что за исключением усилителя для радио частот откликаются достаточно хорошо, даже когда антенны в конце приёмника принимают недельные сигналы (сигналы с очень низким током).

Полевой транзистор как усилитель в конфигурации общего источника может быть использован для управления другим полевым транзистором (усилителем) в конфигурации общего затвора, формируя каскадный усилитель, как показано на рисунке 4.

Хотя коэффициент усиления каскадного усилителя такой же, как и у усилителя в конфигурации с общим источником, его ёмкостное сопротивление на входе весьма низкое, если сравнивать с ним же у усилителя в конфигурации с общим источником. Более того, каскадный усилитель даёт очень высокое сопротивление на входе.

Генератор с фазовращателем

Полевой транзистор даёт высокое полное сопротивление на своих выводах входа, которое уменьшает эффект нагрузки. Также они могут использоваться как для усиления, так и для функций обратной связи. Эта особенность полевых транзисторов делает их подходящими для использования в схемах генераторов с фазовращателем, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Полевой транзистор как генератор с фазовращателем

Модулятор

Полевой транзистор, действующий как выключатель, может быть использован как модулятор (Рисунок 6), где напряжение постоянного тока, VDS преобразуется в напряжение переменного тока с таким же уровнем амплитуды, VAC. Это вытекает из того, что квадратная форма волны напряжения используется как VGS, в результате чего транзистор действует в области выключения и в области насыщения, попеременно. Такие схемы модулятора помогают преодолеть проблему смещения, которая существует в случае усилителей с непосредственной связью.

Рисунок 6 Полевой транзистор как модулятор

Ограничитель тока

N-канальный полевой транзистор, чей терминал затвора укорочен вместе с выводом источника, действует как ограничитель тока. Это означает, что в этом размещении, полевой транзистор даёт току проходить через них, чтобы достигнуть только определённого уровня, после чего, он становится удерживаемой постоянной, безотносительной к колебаниям уровня напряжения. Эти ограничители тока из интегральной части не изменяющегося постоянного тока или стабилизирующих диодов.

Рисунок 6 Полевой транзистор как ограничитель тока

Полевые транзисторы широко используются в интегрированных схемах из-за их компактного размера. Они используются в схемах микшеров для телевизоров и радиоприемников из-за низких модуляционных искажений. Более того, полевые транзисторы также применяют в резисторах с переменным напряжением в операционных усилителях, схемах контроля звука, ведь они обеспечивают большую изоляцию между их выводами затвора и стока. Полевые транзисторы применяются в таких областях как цифровая электроника и оптоволоконные системы.

Пора подвести итоги: полевой транзистор может использоваться как аналоговый выключатель, как усилитель, как генератор с фазовращателем, как модулятор и как ограничитель тока. Каждый вариант имеет свои особенности, делающие его действительно значимым.

Вряд ли можно переоценить роль полевого транзистора в повседневной жизни. Все перечисленные пять способов его применения имеют очень существенное значение в наши дни. Сложно выделить какое-то наиболее значимое использование среди названных, ведь каждое может оказаться где-то просто незаменимым.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

 

Похожее

Применение полевого транзистора | Электронщик

Полевые транзисторы используют как аналоговые выключатели. Применение их как выключателей в аналоговых схемах является прямым следствием их способа работы. Это обусловлено тем обстоятельством, что когда напряжение на затворе-источнике, VGS равно нулю, n-канал транзистора будет работать в области насыщения и будет действовать почти как небольшая схема.

Таким образом, напряжение на выходе будет равно нулю (Рисунок 1). С другой стороны, если отрицательное напряжение находится между выводами затвора и источника i.e., если VGS отрицательно, то транзистор работает в области выключения или в области отсечки.

Это означает, что в данном случае полевой транзистор действует как открытая схема и ток стока, ID будет равен нулю. Вследствие этого, напряжение через загрузочное сопротивление RD будет равно нулю, что порождает то обстоятельство, что VDD похоже на V0.

Применение полевого транзистора

Рисунок 1 Полевой транзистор как аналоговый выключатель

Это свойство вести себя как выключатель может быть использовано для проектирования аналогового мультиплексора, как показано на рисунке 2.

Применение полевого транзистора

Рисунок 2 n-к-1 Мультиплексор, использующий полевые транзисторы.

Тут каждый из сигналов на входе (сигнал 1, сигнал 2, … сигнал n) проходит через выделенный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (T1, T2, … Tn) перед контактом с выводом выхода, V0. Тут лишь один сигнал среди множества сигналов на входе возникает на выводе выхода, в зависимости от напряжения VGS на выводах затвора.

К примеру, если VGS2 отрицательное, в то время как все остальные VGS равны нулю, то сигнал на выходе будет Сигналом 2. Более того, способность к выключению у биполярных транзисторов с изолированным затвором используется в двигателе внутреннего сгорания, а именно в обмотках, ответственных за возгорание, которые требуют быстрого выключения и возможностей блокировки напряжения.

Усилители

Переход в полевых транзисторах используется на стадии усиления. Он изолирует предыдущую стадию от следующей стадии и, таким образом, действует как буферные усилители (Рисунок 3). Это обусловлено тем, что такие транзисторы имеют очень высокое полное сопротивление на входе, в силу чего предыдущая стадия будет слегка загружена, вызывая полный выход Стадии 1, возникая на входе буфера.

Можно сделать так, что весь выход буфера будет возникать на входе в Стадии 2, используя данные транзисторы в конфигурации общего стока, благодаря низкому полному сопротивлению на выходе. Это даже значит, что буферные усилители способны к управлению большими нагрузками или сопротивлениями с небольшой нагрузкой.

Применение полевого транзистора

Рисунок 3 Полевой транзистор как буферный усилитель

Полевые транзисторы являются устройствами, которые издают мало шума, по крайней мере, если сравнивать их с биполярными плоскостными транзисторами. Это делает их полезными компонентами для использования в качестве усилителя на приёмниках с внешним интерфейсом, ведь они нуждаются в минимальном уровне шума на выходе в итоге.

Стоит также отметить, что полевые транзисторы являются устройствами с контролируемым напряжением, что делает их идеальными для использования в качестве усилителей для радио частот. Причина этого в том, что за исключением усилителя для радио частот откликаются достаточно хорошо, даже когда антенны в конце приёмника принимают недельные сигналы (сигналы с очень низким током).

Полевой транзистор как усилитель в конфигурации общего источника может быть использован для управления другим полевым транзистором (усилителем) в конфигурации общего затвора, формируя каскадный усилитель, как показано на рисунке 4.

Хотя коэффициент усиления каскадного усилителя такой же, как и у усилителя в конфигурации с общим источником, его ёмкостное сопротивление на входе весьма низкое, если сравнивать с ним же у усилителя в конфигурации с общим источником. Более того, каскадный усилитель даёт очень высокое сопротивление на входе.

Применение полевого транзистора

Генератор с фазовращателем

Полевой транзистор даёт высокое полное сопротивление на своих выводах входа, которое уменьшает эффект нагрузки. Также они могут использоваться как для усиления, так и для функций обратной связи. Эта особенность полевых транзисторов делает их подходящими для использования в схемах генераторов с фазовращателем, как показано на рисунке 5.

Применение полевого транзистора

Рисунок 5 Полевой транзистор как генератор с фазовращателем

Модулятор

Полевой транзистор, действующий как выключатель, может быть использован как модулятор (Рисунок 6), где напряжение постоянного тока, VDS преобразуется в напряжение переменного тока с таким же уровнем амплитуды, VAC. Это вытекает из того, что квадратная форма волны напряжения используется как VGS, в результате чего транзистор действует в области выключения и в области насыщения, попеременно. Такие схемы модулятора помогают преодолеть проблему смещения, которая существует в случае усилителей с непосредственной связью.

Применение полевого транзистора

Рисунок 6 Полевой транзистор как модулятор

Ограничитель тока

N-канальный полевой транзистор, чей терминал затвора укорочен вместе с выводом источника, действует как ограничитель тока. Это означает, что в этом размещении, полевой транзистор даёт току проходить через них, чтобы достигнуть только определённого уровня, после чего, он становится удерживаемой постоянной, безотносительной к колебаниям уровня напряжения. Эти ограничители тока из интегральной части не изменяющегося постоянного тока или стабилизирующих диодов.

Применение полевого транзистора

Рисунок 6 Полевой транзистор как ограничитель тока

Полевые транзисторы широко используются в интегрированных схемах из-за их компактного размера. Они используются в схемах микшеров для телевизоров и радиоприемников из-за низких модуляционных искажений. Более того, полевые транзисторы также применяют в резисторах с переменным напряжением в операционных усилителях, схемах контроля звука, ведь они обеспечивают большую изоляцию между их выводами затвора и стока. Полевые транзисторы применяются в таких областях как цифровая электроника и оптоволоконные системы.

Пора подвести итоги: полевой транзистор может использоваться как аналоговый выключатель, как усилитель, как генератор с фазовращателем, как модулятор и как ограничитель тока. Каждый вариант имеет свои особенности, делающие его действительно значимым.

Вряд ли можно переоценить роль полевого транзистора в повседневной жизни. Все перечисленные пять способов его применения имеют очень существенное значение в наши дни. Сложно выделить какое-то наиболее значимое использование среди названных, ведь каждое может оказаться где-то просто незаменимым.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Применение полевого транзистора: устройство, использование, принцип работы

Рассмотрим использование идей, реализованных в полевых транзисторах, в более сложных электронных устройствах.

Ячейка памяти на основе полевого транзистора с изолированным затвором (флэш-память). Рассмотрим структуру и принцип действия ячейки так называемой флэш-памяти.

Устройства флэш-памяти являются современными быстродействующими программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ) с электрической записью и электрическим стиранием информации (ЭСППЗУ; в аббревиатуре нет букв, соответствующих словам «электрическая запись», так как такая запись подразумевается).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Эти устройства являются энергонезависимыми, так как информация не стирается при отключении питания. Ячейки памяти выдерживают не менее 100 000 циклов записи/стирания.

Изобразим упрощенную структуру ячейки флэш-памяти (рис. 1.107).

Слои полупроводника, обозначенные через n+, имеют повышенную концентрацию атомов-доноров. Изоляция затворов для упрощения рисунка не показана. Структура ячейки в некотором отношении подобна структуре МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Один из затворов называют плавающим, так как он гальванически не связан с электродами прибора и его потенциал изменяется в зависимости от заряда на нем («плавающий» потенциал).

При записи информации в ячейку памяти электроны из истока туннелируют через тонкий слой изолирующего окисла кремния (толщиной около 1 · 10-8 м) и переходят на плавающий затвор. Накопленный отрицательный заряд на плавающем затворе увеличивает пороговое напряжение u из порог. Поэтому в будущем при обращении к транзистору такой ячейки он будет восприниматься как выключенный (ток стока равен нулю).

При стирании информации электроны уходят с плавающего затвора (также в результате туннелирования) в область истока. Транзистор без заряда на плавающем затворе воспринимается при считывании информации как включенный.

Длительность цикла считывания (чтения) информации составляет не более 85 нс. Состояние ячейки памяти может сохраняться более 10 лет.

Полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Прибор с зарядовой связью имеет большое число расположенных на малом расстоянии затворов и соответствующих им структур металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Изобразим упрощенную структуру прибора с зарядовой связью (рис. 1.108).

При отрицательном напряжении на некотором затворе под ним скапливаются дырки, совокупность которых называют пакетом. Пакеты образуются из дырок, инжектированных истоком или возникающих в результате генерации пар электрон-дырка при поглощении оптического излучения. При соответствующем изменении напряжений на затворах пакеты перемещаются в направлении от истока к стоку.

Приборы с зарядовой связью используются

  • в запоминающих устройствах ЭВМ;
  • в устройствах преобразования световых (оптических) сигналов в электрические.

Классификация полевых транзисторов такая же, как и биполярных транзисторов, т. е. используется буквенно-цифровой код, в котором второй элемент — буква П, определяющая подкласс.

 Примеры обозначения приборов:

  • КП310А— кремниевый транзистор малой мощности, с граничной частотой более 30 МГц, номер разработки 10, группа А;
  • 2П701Б— кремниевый транзистор большой мощности, с граничной частотой не более 30 МГц, номер разработки 1, группа Б.

12 Применение сенсоров на основе полевых транзисторов

2.7 Применение сенсоров на основе полевых транзисторов

Для того чтобы из полевого транзистора с изолированным затвором
(ИЗПТ) сделать сенсор, вместо металла в затворе транзистора по-
мещают чувствительный слой или ионоселективную мембрану, кото-
рые находятся в контакте в испытуемым раствором. При этом в об-
ласть затвора с помощью пары вспомогательных электродов подает-
ся напряжение VG, называемое также затворным напряжением.

В случае ИСПТ на отклик влияет потенциал границы раздела мембра-
на—раствор, который определяется активностью иона в
растворе ai и его зарядом п;.

При этом выражение для ионоселективного отклика ИСПТна изме-
нение активности иона а{.

где: — емкость диэлектрика;

W— ширина инверсионного канала;

L — длина канала;

Рекомендуемые файлы

µn — подвижность электронов.

Полевые транзисторы могут работать в двух режимах. В одном случае измеряют ток I0 при постоянном затворном напряжении VG, в
другом — затворное напряжение VG при постоянном токе I0. Измерительные схемы для обоих режимов работы приведеныранее.

2.7.1. Химически чувствительные полевые транзисторы (ХЧПТ)

Сенсор на основе полевого транзистора проще всего получить, помес-
тив в область затвора нанесенный на кремниевый чип слой палладия,
покрытый пленкой оксида металла толщиной 100 нм. Такой затвор с
высокой специфичностью реагирует на водород (предел обнаруже-
ния — 10 ч. н. млрд). Этот же сенсор, хотя и с меньшей чувствительнос-
тью, реагирует на СО, NH3, H2S, СН4 и С4Н|0.

При добавлении в затвор слоя иридия чувствительность по отноше-
нию к аммиаку возрастает, а по отношению к водороду — падает.

2.7.2 Ионоселективные полевые транзисторы

В самом первом ионоселективном полевом транзисторе (ИСПТ) для
измерения рН в качестве ионочувствительного слоя выступал прост
«голый» изолированнный затвор из диоксида кремния. Подобный
ИСПТ был малоэффективен из-за склонности SiO2 к гидроксилированию. Более эффективны рН-чувствительные ИСПТ с завтором из нитрида кремния (Si3N4), отклик которого увеличивается на 50—60 мВ
при уменьшении рН на единицу. Сходными характеристиками обла
дают ИСПТ на основе оксида титана (TiO2) и германия (Ge). Такие
ИСПТ, как и чипы полевых транзисторов, изготавливают с примене-
нием микроэлектронных технологий. Для придания полевым транзисторам селективности по отношению к другим ионам область затвора тем или иным способом модифицируют. Например, Na+-селектии
ный ИСПТ изготавливают путем нанесения в область затворл
боросиликатного стекла. Для получения К+-селективных ИСПТ в об
ласть затвора помещают полимерные мембраны, содержащие валино
мицин или краун-эфир, а селективность по отношению к Са2+ придл
ют с помощью п-(1,1,3,3-тетраметилбутил)фенилфосфорной кисло
ты. Отклик ИСПТ в случае тонких мембран (толщиной не более
100 мкм) составляет < 40 мВ на десятикратное изменение концентрл
ции определяемого иона.

Разработан четырехзатворный ИСПТ для определения ионов Н+,
Na+, К+ и Са2+. Селективность определения ионов Н+ достигается за
счет использования затвора из Si3N4, Na+ — покрытия из боросиликат-
иого стекла, К+ — мембраны с включенным в нее валиномицином, а
Са2+ — мембраны с ионофорным производным фосфорной кислоты.
Такой ИСПТ удовлетворительно функционировал в буферных раство-
рах, однако в цельной крови он давал систематическую ошибку при
определении ионов Na+.

Для придания селективности полевым транзисторам используют
также гетерогенные мембраны, примером которых может служить полифторированный фосфазин (ПФФ) в смеси с солями серебра. Чаще
всего применяют смесь, состоящую из ПФФ и хлорида серебра в отно-
шении 1:3. Соответствующий ИСПТ дает почти нернстовский наклон
напряжения в зависимости от концентрации хлорид-ионов (52 мВ).
Изменение состава смеси и включение в нее таких солей, как Ag2S или
Agl, позволяет создавать ИСПТ, селективные по отношению к другим
ионам.

2.7.3 Ферментные полевые транзисторы (ФПТ)

Полевые транзисторы с ферментом, помещенным в область затвора, представляют собой миниатюрные биосенсоры. Обычно используют двухзатворную конструкцию наподобие изображенной на рисунке 2.27.

Рис. 2.27. Схема двухзатворного фермент-содержащего полевого транзистора. В качестве детекторов СО и этанола используются металлоксидные полупроводники.

1 — кремниевая подложка;

2—диэлектрик;

3 — аналит-чувствительная мембрана;

4 —сток;

5 — исток;

6 — изолирующая заливка;

Рекомендуем посмотреть лекцию «Оборотные средства и эффективности их использования».

7 — раствор аналита;

8 — электрод сравнения

Чаще всего применяют рН-чувствительные транзисторы, в область
затвора которых могут быть помещены такие ферменты, как пенициллиназа, глюкозооксидаза или уреаза. На основе трехзатворного полевого транзистора, один из затворов которого используется для сравнения,
а в двух других размещены глюкозооксидаза и уреаза, изготовлен био-
сспсор для одновременного определения глюкозы и мочевины.

Предложен водород-чувствительный полевой транзистор на
основе легированного Pd оксида металла, в котором используются
мланиндегидрогеназа и система NAD+—NADH. Очевидно, систему
N AD+-NADH можно использовать и для разработки других биосенсоров на основе полевых транзисторов.

Преимущества и недостатки, а так же области применения Полевых Транзисторов

Основными преимуществами ПТ с управляющим переходом перед биполярными транзисторами являются
  • высокое входное сопротивление,
  • малые шумы (обусловлены тем, что носители заряда не пересекают p-n переходов, как в биполярных транзисторах, а двигаются вдоль них),
  • простота изготовления,
  • малое значение остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора. Так как в ПТ ток через канал вызван перемещением основных носителей, концентрация которых определяется преимущественно количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то ПТ более температуростабильны.
  • ПТ обладают более высокой стойкостью к ионизирующим излучениям.

При изготовлении интегральных схем и микропроцессоров часто  на одном чипе изготавливаются и используются ПТ как с p-, так и с n-каналами. В этом случае транзисторы и схемы называются комплементарными, дополняющими друг друга. Такая технология получила широчайшее распространение при изготовлении микросхем с высокой степенью интеграции.Отметим, что мощность сигнала, необходимая для управления ПТ во много раз меньше, чем мощность для управления биполярным транзистором. По этой причине ПТ широко используются при изготовлении интегральных схем и микропроцессоров. Такие схемы с ПТ имеют малую потребляемую мощность, в их состав можно включать увеличенное число транзисторов. Появление мощных ПТ (30 А и более) позволяет заменить биполярные транзисторы во многих применениях, зачастую получая более простые схемы с улучшенными параметрами.

Недостаток многих полевых транзисторов – невысокая крутизна переходной характеристики, а, следовательно, и малый коэффициент усиления схем на ПТ. Кроме этого, по быстродействию и, соответственно, по частотным свойствам ПТ, как правило, не имеют преимуществ перед биполярными транзисторами. При работе с МОП транзисторами следует принимать меры предосторожности для предотвращения пробоя тонкого слоя диэлектрика между затвором и каналом под действием статического электрических зарядов, которые могут возникнуть на изолированном затворе. Такие статические заряды могут возникнуть даже при касании его рукой. Необходимо, чтобы при транспортировке и монтаже электроды у транзисторов были замкнуты накоротко. Эти замыкающие проводники удаляют только по окончании монтажа, когда выводы транзистора уже впаяны в схему. При пайке МОП транзистора следует заземлять паяльник, приборы и самого монтажника.

Обзор областей применения ПТ. При анализе возможных областей применения ПТ необходимо сравнивать характеристики транзисторов. В каких-то задачах себя лучше показали ПТ, в каких-то – биполярные транзисторы.

  • Схемы с высоким входным сопротивлением (слаботочные). Сюда относятся буферные или обычные усилители для тех применений, где ток базы или конечное полное входное сопротивление биполярных транзисторов ограничивает их характеристики. Можно построить такие схемы на отдельно взятых ПТ, однако сегодняшняя практика отдает предпочтение использованию интегральных схем, построенных на ПТ. В некоторых из них ПТ используются только в качестве высокоомного входного каскада, а вся другая схема построена на биполярных транзисторах, в других вся схема построена на ПТ.
  • Аналоговые ключи. МОП-транзисторы являются отличными аналоговыми ключами, управляемыми напряжением. По своим качествам такие ключи гораздо лучше ключей на биполярных транзисторах.
  • Цифровые микросхемы. МОП-транзисторы доминируют при построении микропроцессоров, схем памяти и большинства высококачественных цифровых логических схем. Микромощные логические схемы изготавливаются исключительно на МОП-транзисторах.
  • Мощные переключатели. Мощные МОП-транзисторы часто бывают предпочтительнее биполярных транзисторов для переключения нагрузок, в первую очередь из-за того, что в ПТ практически отсутствует входной ток и мощность управляющих сигналов чрезвычайно мала. Отличные результаты дает использование мощных ключей, построенных на комбинации биполярных и полевых транзисторов.
  • Переменные резисторы и источники тока. В линейной области стоковых характеристик ПТ ведут себя подобно резисторам, управляемым напряжением, в области насыщения они являются управляемыми напряжением источниками тока.

 

Полевые транзисторы

История создания и реализации полевых транзисторов

Первый полевой транзистор был изобретен Юлий Эдгаром Лилиенфельдом – австро-венгерским ученым-физиком, посвятившим большую часть жизни изучению транзисторного эффекта. Случилось это в 1928 году, однако первая технология изготовления транзисторов не позволяла физически реализовать этот радиоэлемент в промышленности. Первый работающий полевой транзистор с изолированным затвором, согласно трудам Лилиенфельда, произвели в США лишь в 1960 году. За 7 лет до этого была предложена другая технология изготовления полевого транзистора на базе управляющего p-n перехода (МОП транзистор). На основе трудов Вальтера Шоттки в 1966 году американский инженер Карвер Андресс Мид предложил новый тип транзисторов с использованием барьера Шоттки. В 1977 году было установлено, что применение полевых транзисторов в вычислительной технике значительно повышает расчетные мощности электронных устройств, что положило начало разработок компьютерных процессоров и логических микросхем на основе полевого транзистора. Более корректным названием полевого транзистора является униполярный транзистор (управляемый одним электрическим полем), однако в народе это название не прижилось.

Физические основы работы полевого транзистора

Полевым (униполярным) транзистором называют электронное устройство, в основе которого лежит принцип использования зарядов только одного знака, т.е. электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под действием электрического поля, а не потенциала напряжения, что является основным отличием полевого транзистора от биполярного. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Транзисторы с встроенным и индуцированным каналом так же относятся к разновидности МДП транзисторов.

Устройство полевого транзистораа – с p-n переходом; б – с изолированным затвором и встроенным каналом; в – с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Данный транзистор состоит из основного канала полупроводника n-типа, изготовленного из пластины кремния с омическими выводами с каждого конца. Канал образован методом диффузии (введением легированного материала) и образует тончайший слой с дырочной проводимостью. Канал заключен между двумя электродами p-типа, соединенными между собой. Таким образом, n-канал образует два p-n перехода, расположенных параллельно направлению тока. Вывод, через который поступают носителя заряда, называют истоком (И), а электрод, откуда заряд вытекает – стоком (С). Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (З). Существуют два типа канала. Положительный заряд протекает через канал с p проводимостью, а отрицательный заряд проходит через канал с n проводимостью. На рисунке ниже представлен полевой канал с отрицательной проводимостью, управляемый полем положительной полярности. В данном случае через канал от истока к стоку передвигаются электроны. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p типа.

Управляющее или входное напряжение (Uзи) подается между затвором и истоком. Это напряжение для обоих p-n переходов является обратным. В выходную цепь, в которую так же входит канал транзистора, подключается напряжение Uси положительным полюсом к стоку.

Способность управления транзистором объясняется тем фактором, что при изменении напряжения Uзи будет изменяться ширина p-n переходов, которые представляют собой участки в полупроводнике, которые обеднены носителями заряда. Так как p-слой c меньшим сопротивлением имеет большую концентрацию примесей по сравнению с n-слоем, то управление изменением ширина канала происходит за счет более высокоомного n-слоя. При этом изменяется сечение, и проводимость токопроводящего канала (Ic – ток стока) от истока к стоку.

Особенность работы полевого транзистора заключается во влиянии напряжения Uзи и Uси на проводимость канала. Влияние подводимых напряжений отображает рисунок ниже.

На рисунке:

А) напряжение прикладывается только к входной управляющей цепи. Изменение Uзи управляет сечением канала по всей ширине, однако, выходной ток Ic=0 из-за отсутствия напряжения Uси.

Б) Присутствует только напряжение канала, управляющее напряжение отсутствует и начинает протекать ток Ic. Создается падение напряжения на стоковом электроде, в результате пропускная способность канала сужается и при некотором значении границы p-n переходов смыкаются. Повышается внутреннее сопротивление канала и ток Ic далее не способен проходить.

В) В этом варианте на рисунке показано суммарное значение напряжений, когда канал напряжения Uси заперт малым управляющим напряжением Uзи. При подаче этого напряжения происходит расширение n области и начинает протекать ток Ic.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП и МОП)

В этих транзисторах затворный электрод отделен от канала тонким изолирующим слоем из окиси кремния. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл – окисел — полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Проникновения управляющего поля в канал не затруднено, но ток затвора сильно уменьшается и не зависит от полярности приложенного напряжения к затвору. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик — полупроводник) выполняют из кремния. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Каналы полевых МДП транзисторов могут быть обедненного (б — встроенный канал) и обогащенного типа (в — индуцированный канал), (см. рисунок устройства полевого транзистора).

— По встроенному каналу течет ток Iс при отсутствии напряжения Uзи. Его значением можно управлять в сторону уменьшения, подав положительное напряжение Uзи, если транзистор с p-каналом и отрицательное напряжение, если транзистор с n-каналом. Другими словами – закрыть транзистор управляющим обратным напряжением.

— В индуцированном канале, если отсутствует напряжение Uзи ток между стоком и истоком очень мал. При подаче управляющего напряжения ток Iси увеличивается.

Итак, управляющее напряжение при его подаче на затвор транзистора с встроенным каналом – закрывает транзистор, в индукционном канале — открывает транзистор.

Вольт — амперная и сток — затворная характеристики полевого транзистора

ВАХ полевого транзистора определяет его выходные (стоковые) характеристики, а так же содержит информацию о его свойствах в различных режимах работы. Кроме того ВАХ отображает связь параметров между собой. По графику можно определить некоторые параметры, не документированные в описании к транзистору, произвести расчеты уровня напряжения цепей смещения (Uзи), стабилизацию режима, а так же дать оценку работы полевого транзистора в широком диапазоне токов и напряжений.

На рисунке слева показан пример стоковой характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом p-типа при различных фиксированных управляющих напряжениях Uзи. Графики отображают зависимость тока стока (Ic) от напряжения сток – исток (Uси). На каждой из этих кривых присутствуют 3 характерные области:

1. Сильная зависимость тока Ic от напряжения Uси (участок до штрих — пунктирной линии). Эта часть определяет период насыщения канала до напряжения Uси нас, при котором транзистор переходит в закрытое (открытое) состояние. Чем выше управляющее напряжение смещения Uзи, тем раньше закроется (откроется) полевой транзистор.

2. Слабая зависимость тока Ic, когда канал насыщается до своего максимального значения и переходит в постоянно закрытое (открытое) состояние.

3. В момент, когда напряжение Uси превышает предельно допустимое для полевого транзистора, наступает необратимый электрический пробой p-n перехода. Полевой транзистор при этом выходит из строя.

Сток-затворная характеристика показывает зависимость Ic от напряжения между затвором и истоком.

Напряжение на затворе, при котором ток стока стремится к нулю, является очень важной характеристикой полевого транзистора. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или напряжением отсечки.

Условные графические изображения полевых транзисторов в электрических схемах выглядят следующим образом.

Где полевой транзистор:

а – с p-n переходом и p-каналом;

б — с p-n переходом и n-каналом;

в – со встроенным p-каналом обедненного типа;

г – со встроенным n-каналом обедненного типа;

д – с индуцированным p-каналом обогащенного типа;

е – с индуцированным n-каналом обогащенного типа;

ж – p-типа (в) и выводом от подложки;

з – p-типа (д) и выводом от подложки

Европейское обозначение контактов: gate – затвор, drain – сток, source – исток, tab – подложка (зачастую в неизолированных транзисторах является стоком).

Основные технические характеристики полевого транзистора

Современные полевые транзисторы характеризуются основными характеристиками, температурными характеристиками и электрическими характеристиками при температуре до +25 градусов на подложке (истоке). Кроме того, существуют статические и динамические характеристики полевых транзисторов, определяющие максимальные показатели при их применении в частотных сигналах. На частотные характеристики следует обращать особое внимание при использовании транзисторов в генераторах, модуляторах, импульсных блоках питания, современных цифровых усилителях класса D и выше. Частотные свойства определяются постоянной времени RC-цепи затвора, определяющей скорость запирания / отпирания канала. У полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и МДП) входная емкость значительно меньше полевых транзисторов с p-n переходом, что дает возможность применять их в высокочастотной аппаратуре.

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

Vds (Vdss) или Uси max – определяет максимально допустимое значение напряжения между истоком и стоком;

Id или Ic – максимально допустимый ток стока, проходящий через открытый канал транзистора;

Rdc(on) – сопротивление канала между затвором и истоком (обычно указывается совместно с управляющим напряжением Uзи или Vgs).

Iз ут или Igss – ток утечки затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

Pd или Pmax – максимальная рассеиваемая мощность транзистора при температуре, как правило, +25 градусов.

Тепловые параметры полевого транзистора определяют устойчивость его характеристик при работе в диапазоне температур, так как при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. От температуры сильно зависит значение Ic , крутизны и тока утечки затвора.

Tj или Тmax – температура разрушения кристалла подложки, соответствующая максимально допустимой рабочей температуре

Tstg или Тmin – минимальная отрицательная температура, при которой соблюдаются основные паспортные параметры транзистора

Отличительной особенностью работы полевых транзисторов в сравнении с биполярными является очень низкий коэффициент шума или Кш. Данный коэффициент мало влияет от напряжений сток – исток, тока стока, а так же температуры работы транзистора (до +50 градусов).

Рекомендации по применению полевых транзисторов


1. Не рекомендуется снижать температуру полевых транзисторов во время их работы ниже -5 градусов, а так же выходи за пределы рабочей температуры +60 +70 градусов (в народе — температура удержания пальца).
2. Во время эксплуатации необходимо выбирать рабочие напряжения и токи, которые не будут превышать 70% от максимально допустимых параметров по паспорту (даташиту).
3. Нельзя использовать транзисторы в максимальных режимах по двум параметрам одновременно.
4. Не допускать работу транзистора с отключенным затвором.
5. На затвор полевых транзисторов с p-n переходом нельзя подавать напряжение, смещающее переход в прямом направлении. Для p-канальных это будет отрицательное напряжение, для n-канальных – положительное.
6. Хранение полевых МОП и МДП транзисторов желательно производить с закороченными выводами. Маломощные транзисторы частотные транзисторы этой структуры выходят из строя от статического напряжения.
7. Проверить исправность полевого транзистора электронным тестером можно по аналогии с этим видео http://www.youtube.com/watch?v=jQ6l6C8LMSw

4. Полевые транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

4.1. Полевой транзистор с p-n переходом

4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор)

4.1. Полевой транзистор с p-n переходом

В полевых транзисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, называемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, через который в n канал втекают основные носители; сток, через который они вытекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования поперечного сечения канала. В настоящее время существует множество типов полевых транзисторов, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда), благодаря чему возможно создание, например, температуроустойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.

Рисунок 4.1

На рисунке 4.1 приведена схема включения полевого транзистора. Во входную цепь включен источник обратного смещения UЗИ на p-n переходе между затвором и каналом. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения UСИ плюсом соединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие. Канал может иметь электропроводимость как p-типа, так и n-типа; поскольку m n>m p выгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p+-типа.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители заряда — электроны под действием ускоряющего электрического ноля в канале (E = 10104 В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток IС, создаваемый этими электронами, определяется как напряжением стока UСИ, так и сопротивлением канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходом (заштрихованная область). Поскольку потенциал электрического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль канала, толщина p-n перехода минимальна вблизи истока и максимальна вблизи стока, и канал сужается вдоль p-n перехода от стока к истоку. Таким образом, наибольшим сопротивлением канал обладает в наиболее узкой своей части.

а)

б)

Рисунок 4.2

Если в результате подачи к затвору переменного напряжения сигнала результирующее обратное напряжение на затворе UЗИ повысятся, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следовательно, ток в цепи стока уменьшаются. На рисунке 4.2,а изображена характеристика прямой передачи IС =f(UЗИ). Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала. При больших обратных напряжениях на затворе UЗИ0 сечение канала в его узкой части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки. Характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

(3.40)

Па рисунке 4.2,б изображено семейство статических выходных характеристик IС =f(UСИ) при различных значениях напряжения затвора UЗИ. Каждая характеристика имеет два участка — омический (для малых UСИ) и насыщения (для больших UСИ). При UЗИ = 0 с увеличением напряжения UС ток IС вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома; ток IС начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала, а также замедляется возрастание самого тока IС. При напряжении насыщения UСИ = UЗИ0 сечение канала приближается к нулю и рост IС прекращается.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора U¢ ЗИ, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях UСИ будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит раньше (при меньших значениях U¢ СИ=UЗИ0 -U¢ ЗИ).

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличением температуры. Кроме того, с повышением температуры увеличивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток IЗ черед переход и, следовательно, уменьшается RВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые, 10°С.

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки, т. е. точки, в которой ток стока практически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом.

При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителей удельная проводимость канала уменьшается, а следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки могут взаимно компенсироваться. При правильном выборе ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора. С изменением тока затвора в зависимости от температуры будет изменяться падение напряжения по входной цепи, которое изменит рабочий ток стока.

Рисунок 4.3

Основным параметрам, используемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т. е. отношение изменения тока стока к напряжению между затвором и истоком:

Дифференциальное выходное сопротивление здесь определяется как

, Ом, .

Оно составляет, примерно десятки — сотни килоомов. Статический коэффициент усиления по напряжению m =D UСИ/D UЗИ =S× Ri .

Междуэлектродные емкости затвор-исток СЗИ затвор-сток СЗС и сток-исток ССИ. Для маломощных транзисторов СЗИ=3 пФ, СЗС=2 пФ и ССИ=0,2 пФ.

Ток затвора во входной цепи триода IЗ —обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n переход, чрезвычайна мал (порядка 10-9 А и менее). Поэтому входное сопротивление полевого транзистора RВХ=D UЗ/D IЗ очень высокое (порядка нескольких мегомов), входная же емкость мала, так как переход находится под обратным напряжением. Этими качествами полевой транзистор выгодно отличается от биполярных транзисторов с двумя p-n переходами. При работе полевого транзистора на высоких частотах основное значение имеет емкость СЗИ. Максимальная рабочая частота определяется постоянной времени входной цепи f=1/2p RCЗИ, где R — сопротивление канала, через которое заряжается емкость. Анализ показывает, что по частотным свойствам полевой транзистор не имеет особых преимуществ перед биполярным. Практически были осуществлены полевые транзисторы с максимальной частотой генерации до 30 ГГц. Но с точки зрения быстродействия полевой транзистор превосходит биполярный, так как работает на основных носителях заряда при отсутствии их накопления.

В импульсном режиме чрезвычайно полезным достоинством полевого транзистора является почти полное отсутствие остаточного напряжения и цепи канала во включенном состоянии. Закрытый полевой транзистор оказывает сопротивление постоянному току между стоком и истоком более 108 Ом.

Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно применять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.

4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор)

Этот транзистор имеет структуру металл — диэлектрик — полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4,а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4,б). Если основой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл — окисел — полупроводник).

 

а)

б)

Рисунок 4.4

Транзистор с индуцированным каналом имеет области истока n+ и стока n+, которые выведены путем металлизации через отверстие в окиси кремния на контакты — исток и сток. На слой двуокиси окиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затвором. Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектриком, Если на металлическую часть затвора подать положительное напряжение, то положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в полупроводниковой области канала. С возрастанием положительного напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхностны слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, соединяющий исходные n+-области истока и стока. Поэтому уменьшается сопротивление материала между истоком и стоком, что ведет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электростатической индукции между истоком и стоком происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника p-типа превращается в полупроводник n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n+-р-n+. После инверсии образуется n-проводимость и структура становится n+-n-n+. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подобную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии создают слаболегированный канал c проводимостью n-типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка — проводимость n-типа. В отсутствие напряжения на затворе ток между истоком и стоком определяется сопротивлением n-канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда и канале уменьшится и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При положительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, потому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

На рисунке 4.4 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с ндуцированным (кривая 2) и встроенным (кривая 1) каналами. Из рисунка видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи описывается следующим выражением:

при . ( 3.41 )

Здесь А — постоянный коэффициент; UЗИ ПОР — напряжение, которое для транзистора с индуцированным каналом принято называть пороговым. Инверсия типа проводимости начинается лишь при достижении напряжения UПОР.

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рисунке 4.5,а со встроенным каналом — на рисунке 4.5,б.

Рисунок 4.4

В области U < |UЗИ — UЗИ ПОР | теоретический ток стока

. ( 3.42 )

Уравнение описывает восходящие ветви выходной характеристики. Входное сопротивление МДП-транзистора из-за наличия изолятора между затвором и каналом составляет около 1012 — 1014 Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емкостью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков — сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость — десятые доли пикофарады.

Рисунок 4.5

FET Applications-JFET Applications-Chopper, Cascode, Buffer Amplifiers, Multiplexer

Что такое полевой транзистор (полевой транзистор)

FET, также называемый униполярным транзистором, — это транзистор, используемый для управления электрическим поведением устройства.

FET имеет очень высокий входной импеданс (100 МОм в случае полевых транзисторов и 10 4 — 10 9 Мегаом в случае полевых МОП-транзисторов), основные недостатки обычного транзистора , т.е. Загрузка источника сигнала исключена в полевом транзисторе.Следовательно, полевой транзистор — идеальное устройство для использования почти во всех приложениях, в которых могут использоваться транзисторы. Полевые транзисторы широко используются в качестве входных усилителей в осциллографах, электронных вольтметрах и другом измерительном и испытательном оборудовании из-за их высокого входного сопротивления.

  • Поскольку микросхема полевого транзистора занимает очень мало места по сравнению с микросхемой BJT, полевые транзисторы широко используются в интегральных схемах.
  • Полевые транзисторы
  • используются в качестве резисторов с переменным напряжением (WR) в операционных усилителях, регуляторах тембра и т. Д., Для работы микшера на FM- и ТВ-приемниках и в логических схемах.
  • Полевые транзисторы
  • обычно используются в схемах цифровой коммутации, хотя их скорость работы ниже.

Применение полевого транзистора

1. Малошумящий усилитель

Шум — это нежелательное нарушение, наложенное на полезный сигнал. Шум мешает информации, содержащейся в сигнале; чем больше шум, тем меньше информации. Например, шум в радиоприемниках проявляет потрескивание и шипение, которые иногда полностью маскируют голос или музыку.Точно так же шум в ТВ-приемниках создает на изображении небольшие белые или черные точки; Сильный шум
может стереть изображение. Шум не зависит от мощности сигнала, потому что он существует даже при выключенном сигнале.

Каждое электронное устройство производит определенное количество шума, но полевой транзистор — это устройство, которое производит очень мало шума. Это особенно важно возле входных каскадов приемников и другого электронного оборудования, поскольку последующие каскады усиливают входной шум вместе с сигналом.Если на входе используется полевой транзистор, мы получаем меньше усиленного шума (помех) на конечном выходе.

2. Буферный усилитель

Буферный усилитель — это каскад усиления, который изолирует предыдущий каскад от следующего. Последователь источника (общий сток) есть. используется как буферный усилитель. Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления полевой транзистор действует как превосходный буферный усилитель, как показано на рисунке. Из-за высокого входного импеданса почти все выходное напряжение предыдущего каскада появляется на входе буферного усилителя, а из-за низкого выходного сопротивления все выходное напряжение буферного усилителя достигает входа следующего каскада, даже может быть небольшое сопротивление нагрузки.

3. Каскодный усилитель

Принципиальная схема каскодного усилителя на полевом транзисторе показана на рисунке. Усилитель с общим истоком управляет в нем усилителем с общим затвором.

Схема каскодного усилителя

Каскодный усилитель имеет такое же усиление по напряжению, что и усилитель с общим источником (CS). Основным преимуществом каскодного подключения является его низкая входная емкость, которая значительно меньше входной емкости CS-усилителя. Он имеет высокое входное сопротивление, что также является желательной характеристикой.

4. Аналоговый переключатель

FET в качестве аналогового переключателя показан на рисунке. Когда на полевой транзистор не подается напряжение затвора, т.е. В GS = 0, полевой транзистор становится насыщенным и ведет себя как небольшое сопротивление, обычно со значением менее 100 Ом, и, следовательно, выходное напряжение становится равным

.

V OUT = {R DS / (R D + R DS (ON) )} * V дюйм

JFET-аналоговый переключатель

Так как R D очень велик по сравнению с R DS 0N ), поэтому V out можно принять равным нулю.

Когда отрицательное напряжение, равное V GS (OFF) , приложено к затвору, полевой транзистор работает в области отсечки и действует как очень высокое сопротивление, обычно в несколько мегаом. Следовательно, выходное напряжение становится почти равным входному напряжению.

5. Измельчитель

Можно построить усилитель с прямой связью, исключив конденсаторы связи и байпас и подключив выход каждого каскада непосредственно к входу следующего каскада. Таким образом связывается постоянный ток, а также переменный ток.Основным недостатком этого метода является дрейф, медленный сдвиг конечного выходного напряжения, создаваемого транзистором питания, и колебания температуры.

Проблему дрейфа можно решить, применив прерыватель-усилитель, как показано на рисунке.

Усилитель прерывателя

(а). Здесь входное постоянное напряжение прерывается схемой переключения. Выходной сигнал прерывателя представляет собой прямоугольный сигнал переменного тока с пиковым значением, равным значению входного постоянного напряжения, V DC . Этот сигнал переменного тока может быть усилен обычным усилителем переменного тока без каких-либо проблем с дрейфом.Затем усиленный выходной сигнал может быть «обнаружен пик» для восстановления усиленного сигнала постоянного тока.

Прямоугольная волна подается на затвор аналогового переключателя на полевых транзисторах, чтобы заставить его работать как прерыватель, как показано на другом рисунке . Прямоугольная волна затвора представляет собой отрицательное колебание от 0 В до минимум V GS ( выключено) — это попеременно насыщает и отключает JFET. Это выходное напряжение представляет собой прямоугольную волну, попеременно меняющуюся от + V DC до нуля вольт.

Если входной сигнал является низкочастотным сигналом переменного тока, он преобразуется в форму волны переменного тока, как показано на последнем рисунке (c).Этот прерванный сигнал теперь может быть усилен усилителем переменного тока без дрейфа. Затем усиленный сигнал может быть обнаружен пиковым значением, чтобы восстановить исходный входной низкочастотный сигнал переменного тока. Таким образом, сигналы постоянного и низкочастотного переменного тока могут быть усилены с помощью прерывателя-усилителя.

6. Мультиплексор Мультиплексор на полевых транзисторах

Аналоговый мультиплексор , схема , которая направляет один из входных сигналов на выходную линию, показан на рисунке. В этой схеме каждый полевой транзистор действует как однополюсный однопозиционный переключатель.Когда управляющие сигналы (V v V 2 и V 3 ) более отрицательны, чем V GS (0FF) , все входные сигналы блокируются. Сделав любое управляющее напряжение равным нулю, один из входов может быть передан на выход. Например, когда V x равно нулю, сигнал, полученный на выходе, будет синусоидальным. Точно так же, когда V 2 равно нулю, сигнал, полученный на выходе, будет треугольным, а когда V 3 равен нулю, выходной сигнал будет прямоугольным.Обычно только один из управляющих сигналов равен нулю.

7. Ограничитель тока

Схема ограничения тока на полевом транзисторе

показана на рисунке. Таким образом, почти все напряжение питания возникает на нагрузке. Когда ток нагрузки пытается увеличиться до чрезмерного уровня (может быть из-за короткого замыкания или по любой другой причине), чрезмерный ток нагрузки заставляет JFET перемещаться в активную область, где он ограничивает ток до 8 мА.JFET теперь действует как источник тока и предотвращает чрезмерный ток нагрузки.

Производитель может привязать затвор к источнику и упаковать JFET в виде двух оконечного устройства. Так изготавливаются диоды постоянного тока . Такие диоды еще называют диодами-стабилизаторами тока.

8. Генераторы фазового сдвига Генератор с фазовым сдвигом на полевых транзисторах

JFET может включать в себя усилительное действие, а также действие обратной связи. Следовательно, он хорошо работает как генератор сдвига фазы.Высокое входное сопротивление полевого транзистора особенно важно в генераторах со сдвигом фазы, чтобы минимизировать эффект нагрузки. Типичный генератор фазового сдвига, использующий N-канальный JFET, показан на рисунке.

Применение полевых транзисторов

Полевые транзисторы (полевые транзисторы) используются в качестве

аналоговых переключателей

Применение полевых транзисторов в качестве переключателей в аналоговых схемах является прямым следствием их режима работы. Это связано с тем, что, когда напряжение затвор-исток V GS равно нулю, n-канальный полевой транзистор будет работать в области насыщения и будет действовать как (почти) короткое замыкание.Таким образом, выходное напряжение будет нулевым (Рисунок 1). С другой стороны, если между выводами затвора и истока приложено отрицательное напряжение, т.е. если V GS отрицательное, то полевой транзистор работает в своей области отсечки или отсечки. Это означает, что в этом случае полевой транзистор действует как разомкнутая цепь и ток стока I D будет равен нулю. Из-за этого напряжение на сопротивлении нагрузки R D будет равно нулю, что в дальнейшем приведет к появлению V DD при V 0 .
Это свойство JFET-транзистора вести себя как переключатель можно использовать для разработки аналогового мультиплексора, как показано на рисунке 2.

Здесь каждый входной сигнал (сигнал 1, сигнал 2,… сигнал n) проходит через выделенный JFET (T 1 , T 2 ,… T n ) перед подключением к выходной клемме, V 0 . Здесь только один сигнал из множества входных сигналов будет появляться на выходном зажиме в зависимости от напряжений VGS на зажимах затвора полевых транзисторов.

Например, если V GS2 отрицательный, а все другие источники питания V GS равны нулю, тогда выходной сигнал будет Сигналом 2.
Кроме того, свойство переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) используется в катушки зажигания двигателя внутреннего сгорания, требующие возможности быстрого переключения и блокировки напряжения.

Усилители

Junction FETs (JFET) используются в каскаде усиления, который изолирует предыдущий каскад от следующего каскада и, таким образом, действует как буферные усилители (Рисунок 3).Это связано с тем, что полевые транзисторы JFET имеют очень высокий входной импеданс, из-за чего предыдущий каскад будет слегка загружен, что приведет к появлению всего выхода каскада 1 на входе буфера.

Кроме того, весь выход буфера можно сделать так, чтобы он появлялся на входе каскада 2, используя полевые транзисторы в конфигурации общего стока, из-за предлагаемого низкого выходного сопротивления. Это даже означает, что буферные усилители способны управлять большими нагрузками или небольшими сопротивлениями нагрузки.

Полевые транзисторы — это устройства с низким уровнем шума по сравнению с биполярными переходными транзисторами (BJT).Это делает его полезным компонентом для использования в качестве усилителя на входе приемника, так как требуется минимальное количество шума на конечном выходе. Кроме того, следует отметить, что полевые транзисторы JFET представляют собой устройства, управляемые напряжением, что делает их идеальными для использования в качестве усилителей радиочастоты (РЧ). Причина этого в том, что ожидается, что РЧ-усилитель будет правильно реагировать, даже когда антенны на стороне приемника принимают слабые сигналы (сигналы с очень низкой величиной тока).
Усилитель на полевом транзисторе в конфигурации общего источника (CS) может использоваться для управления другим усилителем на полевых транзисторах в конфигурации общего затвора, образуя каскодный усилитель, как показано на рисунке 4.Хотя коэффициент усиления каскадного усилителя такой же, как и у усилителя CS, его входная емкость значительно ниже, чем у усилителя CS. Более того, каскадный усилитель имеет очень высокое сопротивление на входе.

Phase Shift Oscillator

JFET-транзисторы обладают высоким импедансом на входных клеммах, что снижает эффект нагрузки. Кроме того, они могут быть подходящим образом использованы для выполнения функций как усиления, так и обратной связи. Такая природа полевых транзисторов делает их пригодными для использования в схемах генератора со сдвигом фазы, как показано на рисунке 5.

Прерыватель

JFET, действующий как переключатель, может использоваться как прерыватель (рисунок 6), в котором приложенное к нему постоянное напряжение VDC преобразуется в переменное напряжение с тем же уровнем амплитуды, VAC. Это связано с тем, что прямоугольная форма волны напряжения, подаваемая в качестве VGS, заставляет JFET работать поочередно в областях отсечки и насыщения. Такие схемы прерывателя помогают преодолеть проблему дрейфа, которая существует в случае усилителей с прямой связью.

Ограничитель тока

n-канальный полевой транзистор, клемма затвора которого закорочена с клеммой источника, действует как ограничитель тока.Это означает, что в этом устройстве полевые транзисторы позволяют току, проходящему через них, повышаться только до определенного уровня, после которого он поддерживается постоянным, независимо от колебаний уровня напряжения. Эти ограничители тока являются неотъемлемой частью диодов постоянного тока или стабилизаторов тока.
Помимо этого, полевые транзисторы широко используются в интегральных схемах (ИС) из-за их компактных размеров. Они используются в схемах смесителей ТВ- и ЧМ-приемников из-за низких интермодуляционных искажений. Более того, полевые транзисторы также используются в качестве резисторов с переменным напряжением в OP-AMPS, схемах регулировки тембра и конструкции вольтметра с полевым транзистором.JFET-транзисторы также могут использоваться для проектирования схем таймера, поскольку они обеспечивают высокую изоляцию между выводами затвора и стока. Кроме того, полевые транзисторы JFET также находят свое применение в таких областях, как цифровая электроника и волоконно-оптические системы.

Приложения на полевых транзисторах — приложения на полевых транзисторах

Применение полевого транзистора:

Каковы различные применения полевого транзистора?

В этом коротком посте давайте обсудим различные применения транзистора FET — F ield E ffect T .Прежде чем продолжить, полезно освежить в памяти основы полевого транзистора.

Полевой транзистор (FET) — это полупроводниковое устройство, работа которого зависит от управления током с помощью электрического поля. Таким образом, он называется полевым транзистором.

Есть два типа полевых транзисторов

  1. Соединительный полевой транзистор (JFET) или просто полевой транзистор.
  2. Полевой транзистор IGFET с изолированным затвором.
    Его также называют металлооксидно-полупроводниковым (MOS) транзистором или MOSFET.
Применение полевого транзистора (FET):
  • Полевой транзистор имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Поэтому он используется как буфер в измерительных приборах, приемниках.
  • FET работает с низким уровнем шума. Таким образом, он используется в усилителях RF в тюнерах FM и оборудовании связи.
  • FET имеет низкую входную емкость, поэтому он используется в каскадных усилителях в измерительном и испытательном оборудовании.
  • Поскольку полевой транзистор является устройством, управляемым напряжением, он используется в качестве резистора переменного напряжения в операционных усилителях и регуляторах тембра.
  • FET имеет низкое внутреннее модуляционное искажение. Поэтому он используется в схемах смесителей в FM- и ТВ-приемниках, а также в коммуникационном оборудовании.
  • Поскольку это низкочастотные дрейфы, он используется в схемах генераторов.
  • Полевые транзисторы
  • используются в усилителях низкой частоты в слуховых аппаратах и ​​индуктивных преобразователях, так как конденсатор связи имеет небольшой размер.
  • Поскольку полевой транзистор занимает меньше места и прост в изготовлении, он используется в цифровых схемах компьютеров, LSD и схемах памяти.

Спасибо, что прочитали о применении полевых транзисторов… Пожалуйста, оставьте свои комментарии ниже … Пожалуйста, подпишитесь, чтобы получать больше сообщений на свой почтовый ящик …

Вы также можете прочитать: Кварцевый генератор
— основы, работа, частотная характеристика, плюсы и минусы
Сравнение синхронного двигателя и трехфазного асинхронного двигателя
Электрическая тормозная система Преимущества Ограничения Недостатки
Простой проект Arduino — Демонстрация последовательной связи Проект

Поставщики и ресурсы беспроводной связи RF

О мире беспроводной связи RF

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов радиочастотной и беспроводной связи.На сайте представлены статьи, руководства, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тестирование и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, волоконная оптика, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. Д. Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP.Он также имеет академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и MBA.

Статьи о системах на основе Интернета вещей

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе Интернета вещей : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падений Интернета вещей. Читать дальше➤
Также обратитесь к другим статьям о системах на основе Интернета вещей следующим образом:
• Система очистки туалетов самолета. • Система измерения столкновений • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной торговли • Система мониторинга качества воды. • Система Smart Grid • Система умного освещения на базе Zigbee • Интеллектуальная система парковки на базе Zigbee. • Система умной парковки на основе LoRaWAN


RF Статьи о беспроводной связи

В этом разделе статей представлены статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE / 3GPP и т. Д. .стандарты. Он также охватывает статьи, относящиеся к испытаниям и измерениям, по тестированию на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF / PHY. СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ УКАЗАТЕЛЬ >>.


Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Читать дальше➤


Основы повторителей и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов ретрансляторов, используемых в беспроводных технологиях.Читать дальше➤


Основы и типы замирания : В этой статье описаны мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные, быстрые и т. Д., Используемые в беспроводной связи. Читать дальше➤


Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G Архитектура сотового телефона. Читать дальше➤


Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи в соседнем канале, помехи в совмещенном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. Д.Читать дальше➤


5G NR Раздел

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (New Radio), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. Д. 5G NR Краткий указатель ссылок >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • 5G NR CORESET • Форматы DCI 5G NR • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Эталонные сигналы 5G NR • 5G NR m-последовательность • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • Уровень MAC 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень 5G NR PDCP


Учебные пособия по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводной связи.Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, WLAN, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. Д. См. УКАЗАТЕЛЬ >>


Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы по технологии 5G:
Учебное пособие по основам 5G. Частотные диапазоны руководство по миллиметровым волнам Волновая рама 5G мм Зондирование волнового канала 5G мм 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Сетевая архитектура 5G Сетевые интерфейсы 5G NR канальное зондирование Типы каналов 5G FDD против TDD Разделение сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G TF


Этот учебник GSM охватывает основы GSM, архитектуру сети, элементы сети, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура или иерархия кадров GSM, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM, установка вызова или процедура включения питания, MO-вызов, MT-вызов, VAMOS, AMR, MSK, модуляция GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы работы с мобильным телефоном, Планирование RF, нисходящая линия связи PS и восходящая линия связи PS.
➤Подробнее.

LTE Tutorial , охватывающий архитектуру системы LTE, охватывающий основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он обеспечивает связь с обзором системы LTE, радиоинтерфейсом LTE, терминологией LTE, категориями LTE UE, структурой кадра LTE, физическим уровнем LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, передача голоса по LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE продвинутые.➤Подробнее.


RF Technology Stuff

Эта страница мира беспроводной радиосвязи описывает пошаговое проектирование преобразователя частоты RF на примере преобразователя RF UP диапазона 70 МГц в диапазон C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, колодки аттенюатора. ➤Подробнее.
➤Проектирование и разработка радиочастотного трансивера ➤Конструкция RF-фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковой печати ➤ОсновыWaveguide


Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются контрольно-измерительные ресурсы, испытательное и измерительное оборудование для тестирования DUT на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE.УКАЗАТЕЛЬ испытаний и измерений >>
➤Система PXI для T&M. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤Измерения слоя PHY ➤Тест устройства на соответствие WiMAX ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤Тест на соответствие TD-SCDMA


Волоконно-оптическая технология

Оптоволоконный компонент , основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д.Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. Оптические компоненты INDEX >>
➤Учебное пособие по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤SONET основы ➤SDH Каркасная конструкция ➤SONET против SDH


Поставщики, производители радиочастотных беспроводных устройств

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики радиочастотных компонентов, включая радиочастотный изолятор, радиочастотный циркулятор, радиочастотный смеситель, радиочастотный усилитель, радиочастотный адаптер, радиочастотный разъем, радиочастотный модулятор, радиочастотный трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, генератор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексор, дуплексер, микросхема резистора, микросхема конденсатора, индуктор микросхемы, ответвитель, оборудование ЭМС, программное обеспечение для проектирования радиочастот, диэлектрический материал, диод и т. д.Производители RF компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤RF Циркулятор ➤RF Изолятор ➤Кристаллический осциллятор


MATLAB, Labview, встроенные исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. ИНДЕКС ИСХОДНОГО КОДА >>
➤3-8 декодер кода VHDL ➤Код MATLAB для дескремблера ➤32-битный код ALU Verilog ➤T, D, JK, SR триггеры labview коды


* Общая информация о здоровье населения *

Выполните эти пять простых действий, чтобы остановить коронавирус (COVID-19).
СДЕЛАЙТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: часто мойте их.
2. КОЛЕНО: Закашляйтесь
3. ЛИЦО: не трогайте его
4. НОГИ: держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга.
5. ЧУВСТВОВАТЬ: Болен? Оставайся дома

Используйте технологию отслеживания контактов >>, соблюдайте >> рекомендации по социальному дистанцированию и установить систему видеонаблюдения >> чтобы спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таким странам, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19, поскольку это заразное заболевание.


RF Беспроводные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц измерения. Сюда входят такие беспроводные технологии, как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. Д. СПРАВОЧНЫЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤ Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤5G NR ARFCN против преобразования частоты ➤Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤LTE EARFCN для преобразования частоты ➤Калькулятор антенн Яги ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR


IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

Раздел IoT охватывает беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth Low Power (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT +, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие.Он также охватывает датчики Интернета вещей, компоненты Интернета вещей и компании Интернета вещей.
См. Главную страницу IoT >> и следующие ссылки.
➤ НИТЬ ➤EnOcean ➤Учебник по LoRa ➤Учебник по SIGFOX ➤WHDI ➤6LoWPAN ➤Zigbee RF4CE ➤NFC ➤Lonworks ➤CEBus ➤UPB



СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ


Учебники по беспроводной связи RF



Различные типы датчиков


Поделиться страницей

Перевести страницу

(PDF) Применение биосенсоров на полевых транзисторах (FET)

Применение биосенсоров на полевых транзисторах (FET)

www.jasct.org//DOI:10.5757/ASCT.2014.23.2.61 71

П. Веттигер, Э. Мейер, Х. Гюнтеродт, К. Гербер и

Дж. К. Гимзевски, Science 288, 316 (2000).

[10] D. Yao, F. Yu, J. Kim, J. Scholz, P. Nielsen, E.

Sinner, W. Knoll, Nucleic Acids Res. 32, e177

(2004).

[11] П. Бергвельд, IEEE Trans. Биомед. Англ. 70 (1970).

[12] Дж. Джаната и С. Д. Мосс, Biomed. Англ. 6, 241

(1976).

[13] С. Карас и Дж. Джаната, Anal. Chem. 52, 1935

(1980).

[14] М. Марракчи, С. Дзядевич, О. Билоиван, К.

Мартелет, П. Темпл и Н. Яффрезич-Рено,

Материаловедение и инженерия C 26, 369 (2006).

[15] П. Саркар, Microchem. J. 64, 283 (2000).

[16] С. Сетфорд, С. Уайт, Дж. Болбот, Biosens.

Биоэлектрон. 17, 79 (2002).

[17] А. Седра, К.Смит, Oxford University Press

USA (2004).

[18] Б. Стритман, Прентис Холл (1995).

[19] G. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, W. Wang, and C.

Lieber, Nat. Biotechnol. 23, 1294 (2005).

[20] Y. Cui, Q. Wei, H. Park, and C. Lieber, Science

293, 1289 (2001).

[21] С. Х. Хан, С. К. Ким, К. Парк, С. Й. Йи, Х. Парк,

Х. Лю, М. Ким и Б. Х. Чанг, Anal. Чим.

Acta 665, 79 (2010).

[22] E. Souteyrand, J. Cloarec, J. Martin, C. Wilson, I.

Lawrence, S. Mikkelsen и M. Lawrence, J. Phys.

Chem. В 101, 2980 (1997).

[23] Д. Ким, Ю. Чон, Х. Парк, Дж. Шин, П. Чой, Дж.

Ли и Г. Лим, Biosens. Биоэлектрон. 20, 69

(2004).

[24] М. Шёнинг и А. Погосян, Аналитик 127,

1137 (2002).

[25] H.Park, S. Kim, K. Park, H. Lyu, C. Lee, S.

Chung, W. Yun, M. Kim и B. Chung, FEBS

Lett. 583, 157 (2009).

[26] М. Фер, Д. Эрхард, С. Лалонд и В. Фроммер,

Curr. Opin. Plant Biol. 7, 345 (2004).

[27] Х. Парк, С. К. Ким, К. Парк, С. Й. Йи, Дж. В. Чанг,

Б. Х. Чанг и М. Ким, Sensor Lett. 8, 233

(2010).

[28] В. Волотовский, Н. Ким, Biosens.Биоэлектрон.

13, 1029 (1998).

[29] А. Харитонов, М. Заяц, А. Лихтенштейн, Э. Кац,

и И. Виллнер, Sens. Actuators B 70, 222 (2000).

[30] М. Заяц, А. Харитонов, Э. Кац, А. Ф.

Бакманн, И. Виллнер, Biosens. Биоэлектрон.

15, 671 (2000).

[31] К. Парк, С. Чой, М. Ли, Б. Сон и С. Чой,

Sens. Actuators B 83, 90 (2002).

[32] E.Stern, R. Wagner, F. Sigworth, R. Breaker, T.

Fahmy, and M. Reed, Nano Lett. 7, 3405 (2007).

[33] Д. Гришабер, Р. Маккензи, Дж. Ворос и Э.

Реймхульт, Сенсоры 8, 1400 (2008).

[34] N. Elfstrom, R. Juhasz, I. Sychugov, T. Engfeldt,

A. Karlstrom, J. Linnros, Nano Lett. 7, 2608

(2007).

[35] Р. Шох, Дж. Хан и П. Рено, Rev. Mod. Phys.

80, 839 (2008).

2D материалов в качестве полупроводникового затвора для полевых транзисторов с собственной защитой от перенапряжения и повышенным током включения

Проблема перенапряжения обычного MG-HEMT

Безопасная работа обычного HEMT с металлическим затвором Шоттки (MG) критически полагается на защиту ворот от перенапряжения. 17 На рис. 1а схематично изображена структура устройства обычного MG-HEMT. Двумерный электронный газ (2DEG) формируется на границе гетероперехода AlGaN / GaN из-за спонтанной поляризации AlGaN и GaN. 24 Омические контакты истока и стока к ДЭГ формируются напылением металла и высокотемпературным отжигом. Области активных каналов определяются ионной имплантацией. MG сформирован из 5 нм / 6 нм Ni / Au. Подробный процесс изготовления можно найти в разделе «Методы». На рисунке 1b показаны характеристики изготовленного MG-HEMT. Устройство демонстрирует характеристики режима обеднения (D-режима) из-за вызванной поляризацией высокой плотности несущих 2DEG под затвором. Относительно небольшое соотношение ВКЛ / ВЫКЛ (10 5 ) получается из-за большой утечки обратного затвора.Утечка затвора становится особенно большой при прямом смещении затвора, которое может стать сопоставимым с током стока и даже вызвать отрицательное значение I D . Эта большая утечка затвора может не только вызвать плохую изоляцию между управлением затвором и потоком тока в канале, но также является причиной нестабильности порогового напряжения 9,17 и долговременного ухудшения характеристик устройства (дополнительный рисунок 1). ).

Рис. 1

Проблема перенапряжения затвора и утечки AlGaN / GaN HEMT с металлическим затвором Шоттки (MG). a Схематический чертеж обычного AlGaN / GaN HEMT с металлическим затвором Шоттки Ni / Au. b Передаточные кривые и утечки затвора MG-HEMT. c Настройка датчика для определения потенциала канала при различных смещениях затвора. d Измеренный потенциал канала (красные белые кружки) и эффективные напряжения затвора (фиолетовые и оливковые стрелки). Большое прямое напряжение затвора без какой-либо защиты может вызвать серьезную деградацию устройства.

Эффективное напряжение затвора на барьере AlGaN может быть обнаружено путем измерения разности напряжений между MG и каналом 2DEG.Схема измерения показана на рис. 1c, на котором электрод стока используется в качестве зонда для измерения потенциала канала. Потенциал канала, зависящий от В, , , G, , измерен и нанесен на график на рис. 1d, при этом эффективные напряжения затвора (то есть разность напряжений между каналом MG и 2DEG) обозначены стрелками. Из-за истощения канала 2DEG под затвором обратное напряжение затвора на барьере AlGaN ограничено пороговым напряжением истощения 2DEG, что просто объясняет насыщение утечки обратного затвора на рис.1b. В отличие от ограниченного обратного напряжения затвора, прямое напряжение затвора свободно накладывается на весь барьер AlGaN без какой-либо защиты, как показано фиолетовыми стрелками на рис. 1d. Неограниченное прямое напряжение затвора MG-HEMT является причиной наблюдаемых больших утечек затвора и серьезного ухудшения характеристик устройства.

Изготовление и характеристика SG-HEMT

Вместо использования MG установка полупроводникового затвора над барьером AlGaN может обеспечить прямую защиту от перенапряжения и подавление утечки затвора для AlGaN / GaN HEMT.Полупроводниковый затвор должен иметь возможность истощаться из-за большого прямого смещения затвора. Другими словами, полупроводниковый затвор должен иметь тот же тип носителей, что и канал (в нашем случае n-тип), и, что более важно, он должен быть достаточно тонким и умеренно легированным, таким образом, его проводимость может эффективно модулироваться электрическим полем затвора. . Однако эти требования поставили серьезные задачи перед использованием обычных объемных полупроводников в качестве полупроводникового затвора. Трудно нанести или интегрировать тонкую пленку объемных полупроводников на различные диэлектрики затвора (например,g., часто используемые аморфные high-k диэлектрики для MOSFET) с высоким качеством кристаллов. Несмотря на то, что n-GaN можно эпитаксиально выращивать на барьере AlGaN, по-прежнему довольно сложно поддерживать небольшую толщину n-GaN и в то же время подавлять поверхностное рассеяние, вызванное поверхностными оборванными связями и высококонцентрированными легирующими добавками ( для компенсации отрицательных зарядов спонтанной поляризации на границе раздела фаз). В отличие от обычных объемных полупроводников, слоистые двумерные полупроводники, такие как MoS 2 и WSe 2 из семейства дихалькогенидов переходного металла (TMD), имеют поверхность, свободную от оборванных связей. 19,20,21,25,26 В результате они могут поддерживать высокую подвижность носителей даже с атомарно тонким слоем, который даже превосходит SOI (кремний на изоляторе) и делает их конкурентоспособными в качестве материалы каналов для транзисторов следующего поколения. 27,28,29 Кроме того, эти слоистые двумерные полупроводники можно выращивать и легко переносить на различные подложки. 21,23,30,31 Все эти свойства дали слоистым двумерным полупроводникам особое преимущество в качестве подходящего кандидата для реализации полупроводникового затвора.

Экспериментально MoS 2 широко известен с проводимостью n-типа, 1,2,23,32 , тогда как WSe 2 чаще встречается с проводимостью p-типа или амбиполярной проводимостью. 2,22,33 MoS 2 n-типа используется здесь как полупроводниковый затвор для AlGaN / GaN HEMT, чтобы продемонстрировать возможность защиты затвора от перенапряжения. На рис. 2а схематично показана структура устройства SG-HEMT. Почти сплошная пленка MoS 2 выращена методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) на сапфировой подложке, а затем перенесена на образец AlGaN / GaN.Пакет Ti / Au (10 нм / 100 нм) нанесен на MoS 2 вне активного канала 2DEG в качестве контактных площадок электрода затвора. Изготовлены две контактные площадки затвора, которые позволяют нам измерять то же устройство, что и транзистор MoS 2 , для контроля проводимости MoS 2 . Подробные процессы изготовления устройства можно найти в разделе «Методы». Микроскопическое изображение изготовленного SG-HEMT показано на рис. 2б. Из-за относительно низкого контраста подложки однослойный MoS 2 практически не виден под микроскопом.1 \) показаны на рис. 2г, д соответственно. Синие области на рис. 2d соответствуют металлическим электродам, а форму SG MoS 2 над барьером AlGaN можно четко определить по ярко выраженной зеленой области на рис. 2e.

Рис. 2

AlGaN / GaN HEMT с однослойным MoS 2 в качестве полупроводникового затвора (SG). a Схематический чертеж AlGaN / GaN HEMT с однослойным MoS 2 в качестве полупроводникового затвора. MoS 2 подвергается воздействию воздуха.1 \) пик. Пунктирные области соответствуют металлическим электродам. f Передаточные кривые SG-HEMT и соответствующие утечки затвора. g Передаточные кривые того же устройства, измеренные как транзистор MoS 2 (см. Вставку), с учетом того, что горизонтальная ось V G перевернута. MoS 2 истощается, когда затвор SG-HEMT в значительной степени смещен вперед. h Кривые перехода, подпороговое колебание (SS) и i пробой в закрытом состоянии MG-HEMT и SG-HEMT

Измерены кривые перехода и утечки затвора AlGaN / GaN HEMT с MoS 2 полупроводниковый затвор MoS 2 и изображены на рис.2f. Устройство почти не показывает гистерезиса, так как он в основном определяется интерфейсом AlGaN / GaN. SG может эффективно переключать ток канала 2DEG. По сравнению с MG-HEMT на рис. 1b наблюдается немного более отрицательное пороговое напряжение, что может быть связано с относительно меньшей работой выхода MoS 2 , чем у Ni. 34 Что наиболее важно, в отличие от MG-HEMT, SG-HEMT демонстрирует гораздо меньшую утечку затвора. Например, утечка затвора подавляется, по крайней мере, на пять порядков величины при 5 В, что все еще ограничено разрешающей способностью оборудования датчика затвора.Изготовленный SG-HEMT на рис. 2b можно также измерить как транзистор MoS 2 . Канал 2DEG используется в качестве заднего затвора, в то время как две контактные площадки затвора используются вместо этого в качестве электродов истока и стока, как показано на вставке на рис. 2g. Передаточные кривые транзистора MoS 2 показаны на рис. 2g с уже инвертированным напряжением на затворе (то есть — В G ). При измерении SG-HEMT со смещением затвора В G с точки зрения транзистора MoS 2 напряжение затвора 2DEG составляет всего — В G .Таким образом, перевернутое V G на фиг. 2g может облегчить идентификацию проводимости как MoS 2 , так и 2DEG, путем быстрого сравнения между фиг. 2f, g. Становится ясно, что пленка MoS 2 может быть исчерпана, когда напряжение MoS 2 -to-2DEG (т.е. В G на рис. 2f) превышает 0 В, когда канал 2DEG (с порогом напряжение −4 В) уже достаточно включено. MoS 2 SG сохраняет или даже имеет лучшую проводимость во время выключения канала 2DEG, при этом уровень Ферми MoS 2 поднимается лишь незначительно из-за повышенной электронной плотности.В результате, даже если он является полупроводником с регулируемой проводимостью для MoS 2 , его емкостная связь с 2DEG не будет ослабляться при выключении устройства. Наблюдается высокое соотношение ВКЛ / ВЫКЛ 10 9 из-за небольшой утечки затвора. По той же причине достигается такое низкое значение SS, как 63 мВ / дек (рис. 2h). Кроме того, SG не накладывает никаких штрафов на напряжение пробоя, как показано на рис. 2i.

SG-HEMT с различной плотностью носителей SG

Характеристики SG-HEMT на рис.2 измерено с однослойным MoS 2 на воздухе. Известно, что при воздействии воздуха адсорбция воздуха может существенно влиять на концентрацию легирования и подвижность носителей MoS 2 . 32,35,36 Чтобы уменьшить влияние адсорбции и повысить стабильность работы устройства, SG-HEMT дополнительно пассивируется с помощью ALD 5-нм ZrO 2 и 15-нм Al 2 O 3 , как схематически изображено на рис. 3а. Перед осаждением с высоким коэффициентом k используется 20-минутная дистанционная плазменная обработка N 2 в качестве метода функционализации поверхности для обеспечения равномерного осаждения диэлектрика. 37,38 ZrO 2 имеет большую диэлектрическую проницаемость, что полезно для увеличения подвижности носителей MoS 2 за счет экранирования примесных зарядов, 39,40 , в то время как Al 2 O 3 используется для улучшить изоляцию и стабилизировать работу устройства. 41

Рис. 3

Пассивированный диэлектриком SG-HEMT и его зависимость утечки затвора от плотности носителей SG. a Схематическое изображение MoS 2 SG-HEMT, пассивированного 5-нм ZrO 2 и 15-нм Al 2 O 3 .Слои ZrO 2 и Al 2 O 3 наносятся методом ALD для изоляции MoS 2 от воздуха. b Передаточные кривые и утечки на затворе SG-HEMT после пассивации диэлектриком high-k. Передаточные кривые транзистора MoS 2 также изображены в виде сплошных черных линий с уже инвертированным напряжением на затворе 2DEG. c Схематическое изображение MoS 2 SG-HEMT с дополнительным верхним затвором для контроля легирования MoS 2 и d на соответствующем оптическом изображении. e Передаточные кривые транзистора MoS 2 с верхним затвором. f Прямые утечки на затворе SG-HEMT с различной плотностью носителей SG, модулированной электрическим полем

Передаточные кривые SG-HEMT после диэлектрической пассивации с высоким k показаны на рис. 3b. Устройство измеряется с относительно большим размахом затвора (от -10 В до 10 В). Явных изменений порогового напряжения после диэлектрической пассивации не наблюдается. По сравнению с SG-HEMT до пассивации (рис.2е) утечка затвора увеличивается. Это увеличение утечки затвора может быть связано с изменением условий легирования в MoS 2 SG, как показано на переходных кривых транзистора MoS 2 на рис. 3b (черные сплошные линии). После диэлектрической пассивации проводимость MoS 2 SG значительно возрастает в результате увеличения плотности носителей (на что указывает сдвиг порогового напряжения) и повышенной подвижности электронов (с 0,06 до 6 см 2 / В · с).Тем не менее, утечка затвора SG-HEMT все еще намного меньше, чем у MG-HEMT (рис. 1b). Кроме того, на рис. 3b наблюдается насыщение утечки через прямой затвор, что позволяет значительно больший поворот затвора для SG-HEMT (по крайней мере, от -20 В до 20 В, см. Дополнительный рис. 2) по сравнению с MG-HEMT (6 Не более V при прямом смещении затвора, см. Дополнительный рисунок 1). Ток в закрытом состоянии в основном обусловлен утечкой затвора. По сравнению с SG-HEMT до диэлектрической пассивации минимальная утечка затвора немного увеличивается, возможно, из-за повышенной электронной плотности и пониженной работы выхода MoS 2 SG после пассивации.Помимо подавления утечки затвора и большого размаха затвора, импульсные характеристики SG-HEMT I V предполагают, что SG-HEMT может как минимум реагировать на быстрое переключение за 5 мкс (дополнительный рисунок 3). Из передаточных кривых на рис. 3b минимальные сопротивления канала MoS 2 SG и 2DEG можно оценить как R SG = 131 кОм и R 2DEG = 2,5 кОм, тогда задержка время можно приблизительно оценить как ( R SG + R 2DEG ) C AlGaN = 22 нс, в котором C AlGaN = 0.17 пФ — емкость барьера AlGaN. Становится ясно, что основным узким местом скорости переключения является низкая подвижность носителей (6 см 2 / В с) и большое контактное сопротивление (100 Ом · мм) однослойного MoS 2 , 42 и того, и другого. из которых могут быть дополнительно оптимизированы в будущем, например, путем принятия многослойного MoS 2 31,42,43 или других высокоподвижных двумерных полупроводников 22,44,45 в качестве SG или использования только SG на краю канала (дополнительный рис.3).

Сравнительные эксперименты SG-HEMT до и после пассивации диэлектрика с высоким k показывают, что на утечку затвора могут существенно влиять условия легирования SG-части устройства. Диэлектрическая пассивация влияет на плотность носителей SG в основном за счет изменения поверхностной адсорбции в воздухе, которую на практике относительно трудно контролировать. Напротив, плотность носителей SG удобно и монотонно настраивается внешним электрическим полем. Для дальнейшего изучения влияния легирования SG на утечку затвора и характеристики устройства к SG-HEMT добавлен верхний затвор.Схематическая иллюстрация изготовленного устройства и соответствующее оптическое изображение показаны на рис. 3c, d соответственно. Как демонстрируют передаточные кривые на рис. 3e, плотность носителей SG может эффективно модулироваться верхним затвором. Транзистор MoS 2 с верхним затвором имеет более отрицательное пороговое напряжение, чем транзистор MoS 2 с задним затвором 2DEG, что может быть связано с лучшей способностью воздушной изоляции SG-HEMT с верхним затвором с дополнительным верхним затвором. -дверь металлическая.Утечки затвора SG-HEMT измеряются снова, при этом плотность несущих SG настраивается относительной разностью напряжений между верхним затвором и MoS 2 SG. Утечка затвора сильно зависит от концентрации легирования SG, как показано на рис. 3f. В соответствии с ранее наблюдаемой тенденцией для SG-HEMT до и после пассивации с высоким k, SG с более высокой концентрацией легирования труднее истощить прямым смещением затвора, что приводит к большему напряжению затвора на барьере AlGaN и большему прямому смещению. утечка затвора.

Ограниченное прямое напряжение затвора и повышенный ток включения

Благодаря использованию SG утечка затвора SG-HEMT может быть успешно подавлена ​​без ущерба для SS и напряжения пробоя. Большое прямое смещение затвора не только включает канал 2DEG, но также истощает SG и экспоненциально увеличивает сопротивление затвора, когда V G приближается к пороговому напряжению истощения SG. Все данные свидетельствуют о том, что полупроводниковая природа MoS 2 является ключом к улучшенным характеристикам SG-HEMT, а концентрация легирования SG является важным параметром конструкции.Для количественного анализа утечек затвора SG-HEMT упрощенная одномерная модель предложена на рис. 4a. В этой модели 2DEG и MoS 2 SG упрощены для электрического контакта с одной и той же стороны. Предполагается, что плотность тока вертикальной утечки затвора зависит только от вертикальной разности потенциалов. Ток утечки на затворе накапливается и течет горизонтально вдоль 2DEG и MoS 2 , что дополнительно влияет на разность вертикальных напряжений после учета взаимной модуляции проводимости канала 2DEG и MoS 2 SG с помощью вертикальной разности потенциалов.Во время расчета модуляция взаимной проводимости определяется передаточными характеристиками на рис. 3b, в то время как параметры для вертикальной утечки затвора извлекаются из экспоненциально увеличивающейся утечки затвора MG-HEMT на рис. 1b. Подробный вывод утечки затвора можно найти в дополнительной информации.

Рис. 4

Фиксация напряжения затвора SG-HEMT. a Схема упрощенной одномерной модели для аналитического расчета утечки затвора SG-HEMT.MoS 2 истощается, когда SG в значительной степени смещен вперед. b Расчетное распределение потенциала по ширине СГ. c Расчетная утечка затвора SG-HEMT с различными концентрациями легирования SG (которые напрямую определяют значения V th_SG ). d Эквивалентная схема SG-HEMT при прямом смещении затвора и e определение ограниченного эффективного напряжения затвора. f Измеренное эффективное напряжение затвора MoS 2 SG с настройкой датчика, показанной на вставке.Для В G < В th_MoS2 напряжение затвора прикладывается ко всему SG. В то время как для В G > В th_MoS2 , эффективное напряжение затвора ограничено до В th_MoS2 . В результате SG может обеспечить встроенную защиту от перенапряжения на затворе

На основе упрощенной одномерной модели можно аналитически рассчитать распределение потенциала по ширине затвора, в котором пороговое напряжение обеднения MoS 2 можно предполагается, что напряжение на заднем затворе 2DEG составляет 2 В.Результаты расчетов на рис. 4b ясно показывают, что потенциал SG над каналом 2DEG ограничен близко к напряжению истощения SG, при этом дополнительное напряжение затвора в основном поддерживается областью SG на краю канала. Истощение и ограничение напряжения SG также проверяются с помощью двухмерного моделирования (дополнительный рисунок 4). Утечки затвора SG-HEMT с различными концентрациями легирования SG (которые дают разные пороговые напряжения истощения V th_SG ) также рассчитаны и показаны на рис.4c. SG с более высокой концентрацией легирования ограничивает эффективное напряжение затвора до более высокого значения, что приводит к большей утечке затвора. Утечка затвора демонстрирует поведение насыщения, когда SG истощается, что согласуется с экспериментальными результатами на рис. 3b, f (с учетом того, что утечка затвора на рис. 2f по-прежнему ограничена разрешающей способностью оборудования датчика затвора). Поведение насыщения утечки прямого затвора из-за истощения SG не такое резкое, как поведение насыщения утечки обратного затвора на рис.1b. Наши теоретические расчеты показывают, что это вызвано относительно плохой SS модуляции проводимости SG задним затвором 2DEG в нашем эксперименте (дополнительный рис. 5).

Принцип работы использования SG для ограничения напряжения прямого затвора и подавления утечки затвора может быть дополнительно объяснен эквивалентной схемой, изображенной на рис. 4d. В этой схеме SG заменен транзистором MoS 2 D-режима, который последовательно подключен к затвору MG-HEMT. Затвор транзистора MoS 2 подключен к истоку GaN HEMT.Напряжение затвора HEMT прикладывается через полупроводник MoS 2 , и большой прямой V G может истощить MoS 2 , как в случае с SG-HEMT. Для достаточно большого V G ток, протекающий через транзистор MoS 2 D-режима, не очень чувствителен к V G , потому что устройство находится в подпороговой области. В результате эффективное напряжение затвора ( В, G_eff ) может быть количественно определено точкой пересечения тока канала MoS 2 и тока утечки затвора HEMT, как показано на рис.4e. Из-за истощения транзистора MoS 2 D-режима эффективное напряжение затвора HEMT ограничено. В отличие от защиты от перенапряжения с помощью самонастраиваемого полевого транзистора 17 предлагаемый SG принципиально не имеет ограничений по пиковому току смещения и, следовательно, по скорости переключения устройства, потому что это метод ограничения напряжения, в то время как метод самозагрузочной защиты только полевой транзистор работает для полевого транзистора с большим током утечки затвора (например, барьер Шоттки с металлическим затвором HEMT).В результате предлагаемая защита от перенапряжения SG может быть реализована во всех типах устройств, таких как MIS-HEMT, независимо от утечки затвора (поскольку проводимость полупроводникового затвора может быть экспоненциально модулирована и, наконец, соответствует утечке затвора) .

Экспериментально ограничение эффективного напряжения SG может быть проверено путем измерения потенциала SG над каналом. Схема измерения изображена на вставке к рис. 4f, а измеренные потенциалы SG показаны в виде синих открытых треугольников.Если смещение затвора ниже порогового напряжения истощения SG, напряжение затвора эффективно прикладывается ко всей области SG. Однако, как только смещение затвора становится больше, чем пороговое напряжение истощения SG, эффективное напряжение затвора ограничивается. Помимо потенциала SG, потенциал канала 2DEG также показан на рис. 4f (красные белые кружки). С введением SG, как прямые, так и обратные напряжения затвора теперь ограничены пороговыми напряжениями истощения SG и 2DEG, соответственно.По сравнению с эквивалентной схемой полупроводниковый затвор может обеспечить внутреннюю защиту от перенапряжения с гораздо более компактной структурой устройства. Что еще более важно, схема SG по своей сути включает в себя как прямую, так и обратную защиту от перенапряжения из-за истощения как канала SG, так и 2DEG, что отсутствует в эквивалентной схеме (при отрицательном напряжении В G смещает D-режим MoS. 2 Полевой транзистор уязвим для выхода из строя затвора).

Ограниченное эффективное напряжение затвора на рис.4f измеряется с плавающим стоком ( I D = 0 A). В практических приложениях сток смещается для подачи управляющего тока, который изменяет вертикальное напряжение затвора и влияет на фиксированное напряжение затвора. На рис. 5а показана экспериментальная установка для обнаружения потенциала SG при различных смещениях стока. Напряжения зонда при различных смещениях затвора и стока измерены и показаны на рис. 5b. В соответствии с предыдущим результатом при В D = 0 В измеренное напряжение SG ограничивается пороговым напряжением истощения MoS 2 , т.е.е., В th_MoS2 = 2,5 В. При увеличении В D , напряжение зажима зонда также увеличивается, как показано пунктирной линией на рис. 5b. Линия имеет наклон, близкий к 0,5, что можно объяснить распределением потенциала SG на рис. 5в. Из-за значительно настроенной проводимости SG и сильной емкостной связи между MoS 2 и 2DEG, SG над каналом не является полностью эквипотенциальным для ненулевого смещения стока во время ограничения напряжения затвора.Для В G > В th_MoS2 истощение SG около конца источника ограничивает потенциал SG до В th_MoS2 . Однако на конце стока из-за положительного смещения стока V D истощение SG требует более высокого потенциала SG. Если потоком тока внутри слоя MoS 2 можно пренебречь, слой MoS 2 всегда можно считать истощенным, а напряжение MoS 2 на стороне стока должно быть В th_MoS2 + В D .Пока потенциал SG все еще меньше, чем В G , вертикальная разность напряжений между MoS 2 SG и 2DEG всегда будет ограничиваться пороговым напряжением истощения MoS 2 SG. Для определенного диапазона смещения стока ( В D < В G В th_MoS2 ), плотность несущей SG-HEMT сохраняется постоянной вдоль канала без какой-либо модуляции, то есть в резкий контраст с уменьшением плотности носителей MG-HEMT даже для небольшого положительного V D .Поскольку измеренное напряжение зонда представляет собой средневзвешенное значение потенциала SG, чтобы гарантировать нулевой чистый ток, фиксированное напряжение зонда увеличивается с В D с наклоном, близким к 0,5.

Рис. 5

Саморегулирующийся потенциал SG со смещениями стока и безопасным повышением тока в открытом состоянии. a Вид сверху датчика для измерения эффективного напряжения SG MoS 2 SG-HEMT с ненулевым смещением стока. b Измеренное напряжение зонда и его зависимость от В D для пассивированного MoS 2 SG-HEMT. c Схема распределения потенциала SG по длине затвора в разрезе. Чтобы гарантировать нулевой чистый ток, измеренное напряжение зонда представляет собой среднее значение потенциала SG над каналом. Кривые производительности d MoS 2 SG-HEMT и e Ni / Au MG-HEMT. Для SG-HEMT не наблюдается потери тока в открытом состоянии. f Благодаря саморегулирующемуся распределению потенциала затвора, гарантируя безопасную работу, SG-HEMT может даже иметь более высокую среднюю плотность несущих, меньшую длину истощения канала и, следовательно, больший ток насыщения в открытом состоянии

Саморегулирующийся SG-потенциал SG-HEMT на рис.5c предполагает, что SG-HEMT может достичь более высокой средней плотности несущих и, следовательно, большего тока включения, чем MG-HEMT, при сохранении того же максимального напряжения затвора. На рис. 5d, e показаны измеренные выходные характеристики MoS 2 SG-HEMT и Ni / Au MG-HEMT. Ток в открытом состоянии падает при большом смещении стока из-за эффекта самонагрева. MoS 2 SG имеет пороговое напряжение истощения 2,5 В (т. Е. В th_MoS2 = 2,5 В), что ограничивает максимальное вертикальное напряжение затвора до 2.5 В и фиксирует R ON в линейной области для V G > V th_MoS2 . Однако из-за этого саморегулируемого распределения напряжения SG выходные кривые SG-HEMT показывают более длинную линейную область и повышенный ток включения в области насыщения для В G > В th_MoS2 , что даже превосходит MG-HEMT. Этот безопасный ток включения SG-HEMT можно дополнительно объяснить различными распределениями плотности несущих SG-HEMT и MG-HEMT.Как схематично показано на рис. 5f, выходные кривые SG-HEMT и MG-HEMT не должны иметь больших различий для В G < В th_MoS2 (за исключением возможной разницы пороговых напряжений из-за разницы в работе функция MoS 2 и Ni / Au). Однако, сохраняя максимальное напряжение затвора и безопасную работу, SG-HEMT может быть смещен до В G > В th_MoS2 , благодаря присущей способности защиты затвора от перенапряжения.Благодаря саморегулирующемуся потенциалу SG над каналом с увеличенными смещениями стока, SG-HEMT может иметь более высокую среднюю плотность несущих, как схематично показано на вставках на рис. 5f. В результате ток включения увеличивается для SG-HEMT, в то время как безопасная работа устройства гарантируется. Замечено, что для очень больших В G ( В G = 6–10 В) ток включения на рис. 5d больше не увеличивается, что указывает на то, что ток внутри MoS 2 сам по себе уже нельзя игнорировать, а напряжение на стороне стока MoS 2 нельзя просто определить с помощью В th_MoS2 + В D (иначе В D_sat и I ON будет постоянно увеличиваться на V G ).Напряжение MoS 2 на стороне стока может увеличиваться на В D , но с меньшей скоростью, чем 1, тогда определенного большого В D будет достаточно для истощения 2DEG на стороне стока и тока стока. станет насыщенным независимо от большого V G . В конце концов, по сравнению с MG-HEMT с тем же током насыщения, плотность 2DEG SG-HEMT будет более равномерно распределена благодаря саморегулирующемуся распределению потенциала SG.В результате тепловыделение SG-HEMT будет менее целенаправленным, чем MG-HEMT, что может объяснить уменьшенный эффект самонагрева SG-HEMT на рис. 5d, особенно для больших V G .

Последние достижения и перспективы на будущее

Сенсоры (Базель). 2019 Октябрь; 19 (19): 4214.

Кафедра химии и материаловедения, Национальный центральный университет, город Таоюань 32001, Тайвань

Поступила в редакцию 11 июля 2019 г .; Принято 18 сентября 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария.Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Эта статья цитировалась другими статьями в PMC. .

Abstract

В последние годы полевые транзисторные биосенсоры (Bio-FET) для биомедицинских приложений претерпели активное развитие с эволюцией характеристик полевых транзисторов, а также с модификацией структур биорецепторов. В этом обзоре изначально содержится размышление об этом прогрессе путем анализа и обобщения замечательных исследований по двум вышеупомянутым аспектам.Первый включает изготовление беспрецедентных наноструктур и использование новых материалов для преобразователей FET, тогда как последний в первую очередь синтезирует компактные молекулы в качестве биозондов (фрагменты антител и аптамеры). Впоследствии, будущее исследование FET-биосенсоров также прогнозируется в зависимости от текущих ситуаций, а также их большой потребности в клинических испытаниях диагностики заболеваний. С этой точки зрения ожидается, что FET-биосенсоры с бесконечными преимуществами будут постоянно развиваться как один из самых многообещающих инструментов для биомедицинских приложений.

Ключевые слова: FET биосенсор, биомедицинское применение, нанотрансдуктор, полевой транзистор, аптамер, антитело

1. Введение:

С момента своего появления Кларком в 1962 году [1] биосенсоры широко использовались в различных приложениях, таких как как диагностика рака [2], обнаружение токсичности [3], анализ пищевых продуктов [4], прогноз здоровья [5] и т. д. Биосенсоры, аналитические устройства, преобразующие биологические реакции в электрические сигналы [6], обычно состоят как минимум из двух основных компонентов, сочетающих вместе: биологический рецептор и физико-химический преобразователь [7].Первый преобразует ответы из биохимической области, обычно концентрации аналита, в химический или физический выходной сигнал с определенной чувствительностью, тогда как второй передает сигнал из выходной области системы био-распознавания, в основном в электрическую область [7]. . Среди различных видов биосенсоров наиболее развитыми кандидатами из-за ряда преимуществ оказались полевые транзисторные биосенсоры (Bio-FET), интегрированные между био-рецепторами и ионно-чувствительными полевыми транзисторами (ISFET).Действительно, примерно через полвека с момента изобретения Бергвельдом в 1970 году первого поколения ISFET мы стали свидетелями эволюции этих преобразователей в многочисленных приложениях биосенсоров [8]. В типичной системе полевых транзисторов чувствительные элементы иммобилизованы на чувствительных каналах (полупроводниковый тракт), которые подключены к электродам истока (S) и стока (D), для захвата мишеней (обычно за счет высокой специфичности и сродства связывания). Потенциал смещения прикладывается и модулируется к третьему электроду (затвору).Проводимость канала, которая изменяется при обнаружении целей, регистрируется и обрабатывается системой электрических измерений. Существует два типа полевых транзисторов: n-типа с электронами в качестве основных носителей заряда и p-типа с дырками в качестве основных носителей заряда. В системе полевых транзисторов n-типа, если зонды обнаруживают положительно заряженные молекулы, носители заряда (электроны) будут накапливаться в каналах считывания и увеличивать проводимость. Если обнаруживаются отрицательно заряженные цели, проводимость будет уменьшена из-за истощения электронов.Напротив, для системы полевых транзисторов p-типа связывание с положительными зарядами приводит к снижению проводимости из-за уменьшения носителей заряда (дырок), а захват отрицательных зарядов повышает проводимость из-за накопления дырок. Вспышка нанотехнологий запускает сочетание биосенсоров и наноматериалов для сенсорного применения с революционными конструкциями, в которых биомолекулы (антитела, нуклеотиды и т. Д.) В качестве рецепторов иммобилизуются на поверхности нанотрансдукторов (нанопроволок, нанотрубки, наночастицы и т. Д.).).

Материалы для датчиков являются одними из наиболее важных компонентов, которые необходимо учитывать при изготовлении биосенсоров на полевых транзисторах. Двумя наиболее популярными наноматериалами, вызывающими особый интерес ученых, являются материалы на основе кремния (кремниевые нанопроволоки — SiNW) и углеродные (графен и углеродные нанотрубки — УНТ). Кремниевая нанопроволока продемонстрировала не только высокую чувствительность для обнаружения без меток и в реальном времени, но и потенциально коммерциализирована из-за возможности массового производства в полупроводниковой промышленности [9,10,11,12,13,14].Однако, несмотря на постоянное развитие технологий крупномасштабной сборки (сборка с направленным потоком жидкости [15], сборка с выдуванием пузырьков [16], контактная сборка [17], сборка с использованием электрического поля [18], сборка Ленгмюра-Блоджетт [19], электроспиннинг с помощью поля [20], метод «место, затем выращивание» [21] и перенос структуры нанопроволоки сверхрешетки [22]) с хорошо контролируемыми размерами, ориентацией и плотностью синтезированных нанопроволок [23], высоким устройством вариативность между устройствами и низкая мобильность несущих — это основные проблемы, которые решающим образом преодолеваются на пути к коммерциализации SiNWFET [24].Поскольку сенсоры на основе SiNWFET успешно используются для обнаружения различных биологических и химических молекул (белков [9,10,11,12,13,25], нуклеиновых кислот [14,25,26,27,28], вирусов [ 29,30] и различных целевых веществ [9,31,32,33,34]), было множество стратегий для улучшения их способности к зондированию, работая обнаружение в подпороговом режиме [35], используя измерение в частотной области [36], оптимизируя модификация поверхности с выравниванием электрического поля [37], интеграция с морфологией нанопор [38] или электрокинетическими устройствами [39] и изготовление разветвленных нанопроволок [40] для клинической диагностики, конечной цели широкого биомедицинского применения [41].УНТ же обладают превосходными физическими и химическими свойствами для применения в биосенсорах, такими как: высокая механическая прочность, площадь поверхности и соотношение сторон, превосходная химическая и термическая стабильность [42]; выдающаяся проводимость для наноразмерных преобразователей [43,44,45] и идеальные полупроводниковые свойства полевых транзисторов нанометрового размера [46]; особенно полезно для иммобилизации биозондов (антител, ферментов, олигонуклеотидов и т. д.) либо в их полых полостях, либо на наноповерхностях [47,48,49,50,51] и эффективен в стимулировании реакций переноса электронов [52].Тем не менее, при синтезе УНТ всегда образуется смесь полупроводниковых (-х) и металлических (-м) трубок, что ухудшает электрические характеристики и создает вариации от устройства к устройству, создавая огромный недостаток для УНТ в качестве полевых транзисторов [24]. Подобно SiNW, поскольку УНТ были продемонстрированы как один из материалов для полевых транзисторов [53,54], были разработаны две основные тактики для преодоления вышеупомянутой трудности и сборки массивов УНТ: прямое и пост-синтезированное разделение s- / m-CNT. смеси [55].Тем не менее, интеграция УНТ в крупномасштабные устройства все еще остается сложной задачей, отчасти из-за их низкого выходного тока, малых активных площадей и неоднородных смесей s- / m- [24]. Графен, двумерный слой с сотовой решеткой, образованный ковалентными σ-связями между атомами углерода [56], обладает выдающейся механической прочностью (известен как самый прочный материал с пределом прочности на разрыв 130 ГПа и модулем упругости 1000 ГПа) [57], сверхбольшой удельной прочностью. площадь (~ 2630 м 2 / г) [58], особенно необычные электрические свойства с высокой подвижностью носителей заряда (более 2 × 10 5 см 2 В −1 с −1 ) [ 59], что является большим преимуществом для сверхбыстрого переноса заряда и, следовательно, вызывает особый интерес к графену как материалам для полевых транзисторов.Однако недостатком в этой области является отсутствие ширины запрещенной зоны, приводящей к малому отношению включения / выключения графеновых полевых транзисторов [24]. Графен можно синтезировать сверху вниз (расслоение) и снизу вверх (химическое осаждение из паровой фазы — CVD). Самый старый метод расслаивания для получения отдельных листов графена включает расширение графитовых слоев путем окисления, получение отдельных слоев оксида графена путем расслаивания и удаление кислородных групп путем восстановления [24]. Тем не менее, ни один метод восстановления (химическая, термическая и электрохимическая обработка) не может полностью удалить кислородные функциональные группы, что (в пределах дефектов от стадии окисления) сильно ухудшает электрические характеристики восстановленного ОГ по сравнению с чистым графеном [56,60].Недостатки других методов отшелушивания заключаются в невозможности собрать большие листы графена путем механического отшелушивания и разнообразных чешуек, образованных различным количеством слоев с электрическими характеристиками, отклоненными химическими веществами, используемыми при отшелушивании ультразвуком [24]. Подобно процессу сверху вниз, механические и электрические свойства графена, выращенного методом CVD, также подвержены влиянию дефектов и примесей, возникающих во время этой процедуры изготовления [24]. Поэтому отсутствие массового производства идеально структурированного графена является еще одним препятствием для коммерциализации графена как материала полупроводниковой промышленности [56].

Биосенсорный элемент — еще один важный фактор, который необходимо учитывать при разработке биосенсоров на полевых транзисторах. На заре создания этих устройств на основе полевых транзисторов преобладающими кандидатами являются антитела и ДНК / РНК, главным образом потому, что они просты, дешевы в синтезе, могут быть иммобилизованы на широком спектре различных поверхностей и обеспечивают быстрое обнаружение за счет высокой специфичности и аффинного связывания. с целевыми молекулами, которые обычно являются белками и нуклеиновыми кислотами в большинстве биомедицинских приложений.Тем не менее, с одной стороны, не только синтез антител от животных является дорогостоящим и нецелесообразным, но и охват областей иммобилизации намного меньше, чем полный из-за стеариновых препятствий из-за громоздкой структуры антител [61]. С другой стороны, зонды ДНК и РНК требуют условий высокой ионной силы для защиты их межмолекулярной силы отталкивания для гибридизации [24]. Оба они ослабляют или вводят в заблуждение детектируемый сигнал полевыми транзисторами в физиологической среде с высоким экранирующим эффектом (также известный как длина Дебая).Кроме того, богатые гуанином-цитозином последовательности в структурах нуклеиновых кислот, которые образуют структуры «стебель-петля», а также собственные и кросс-димеры, также вносят вклад в ложные результаты обнаружения из-за неспецифического связывания [62]. Таким образом, последующие периоды стали свидетелями исследования новых поколений, включая фрагменты антител (Fab, Fab ‘и scFv), аптамеры, пептидные нуклеиновые кислоты (PNA), заблокированные нуклеиновые кислоты (LNA) и нейтрализованную ДНК (nDNA) в качестве биозондов для того, чтобы чтобы преодолеть эти недостатки.

В последние годы усилия в основном сконцентрированы на улучшении чувствительности полевых транзисторов за счет разработки нанопреобразователей и / или конструкции зондов.Первый подход включает в себя изобретение новых методов изготовления, а также открытие новых материалов для нанотрансдукторов, тогда как вторая стратегия фокусируется на продолжении использования компактно структурированных элементов распознавания (аптамеров и фрагментов антител) в рамках контроля иммобилизованной ориентации и оптимизации плотности зонда, а также невероятных стратегий передачи сигналов. усовершенствования для преодоления ограничений экранирующего эффекта при высокой ионной силе физиологической среды. Этот обзор посвящен заметным достижениям в исследованиях и разработке биосенсоров на основе полевых транзисторов для биомедицинских приложений с 2016 по начало 2019 года, разделенных на три категории: эволюция нанотрансдукторов, антитела и их фрагменты в качестве биозондов и нуклеиновые кислоты в качестве биозондов.Ссылки ограничены опубликованными статьями, а другие статьи, опубликованные до этого периода, также используются в качестве дополнительных ресурсов, чтобы предоставить фундаментальные знания в этой области, а также описать взрыв FET-биосенсоров до этого периода.

2. Развитие нанотрансдукторов для сенсоров на основе полевых транзисторов

Графен является одним из традиционных материалов и с момента его изобретения широко использовался для изготовления полевых транзисторов. Тем не менее, внимание к усовершенствованиям графеновых полевых транзисторов (GFET) в качестве нанопреобразователей до сих пор было постоянным.Исследователи из Китая изобрели вариант биосенсоров GFET, в которых пена графена использовалась в качестве электрического канала для обнаружения аденозинтрифосфата (АТФ). Чрезвычайно большая площадь поверхности и сверхвысокая чувствительность, которыми обладают пористые / полые структуры трехмерной (3D) пены графена, позволили создать биосенсор АТФ с пределом обнаружения (LOD) 0,5 пМ в широком линейном диапазоне от 0,5 пМ до 50. мкМ, что на несколько порядков ниже, чем в предыдущих сообщениях, и, таким образом, открывает дверь для обнаружения следов АТФ на пикомолярном уровне в биологической системе [63].Другая модификация структуры GFET принадлежит исследовательской группе в Америке, которая внедрила слой Al 2 O 3 (толщиной 3 нм) в канал из восстановленного оксида графена (rGO) с помощью техники осаждения атомных слоев (ALD) для предотвращения неспецифическое связывание воды или нежелательных частиц с поверхностью rGO. Таким образом, этот слой повышает воспроизводимость и стабильность датчика, не влияя на его свойства полевого транзистора [64].

Группа Рена изобрела полевой транзистор с расширенными нанопорами (nexFET), который обеспечивает более высокую молекулярную пропускную способность, улучшенное соотношение сигнал / шум и повышенную селективность за счет функционализации с помощью встроенного рецептора.Этот новый класс наносенсоров сочетает в себе преимущества платформы с нанопорами и полевых транзисторов за счет использования нового ионного полевого транзистора на основе полипиррола (PPy) на основе нанопипеток. Можно настроить размеры нанопор в реальном времени в соответствии с размером целевых молекул. Молекулярный транспорт также можно эффективно контролировать на уровне одной молекулы, контролируя напряжение на затворе (). Более того, слой ворот PPy подходит для иммобилизации искусственных чувствительных элементов для селективного молекулярного обнаружения (двухцепочечная ДНК 3 kpb или антиинсулин с помощью инсулина) [65].

Изготовление полевого транзистора с расширенными нанопорами (nexFET) в кварцевых нанопипетках с двумя цилиндрами путем осаждения пиролитического углерода в одном из цилиндров перед электроосаждением полипиррола (PPy) на наконечник нанопипетки с углеродным покрытием [65].

Чтобы улучшить иммобилизацию зонда и гибридизацию мишеней, Мохсен Шариати изобрел датчик с нуклеиновыми полевыми транзисторами с нанопроволоками из оксида индия и олова (ITO NW) в качестве нанотрансдуктора. Подложка-предшественник для нанопроволок ITO была сначала приготовлена ​​путем нанесения слоя золота 2 мкм на подложку SiO 2 в качестве электродов перед напылением тонкой пленки индия-олова-индия на этот слой Au с толщиной 4 мкм, состоящей из 90% индия и 10% индия. банка.Нанопроволоки ITO затем выращивали в трубчатой ​​печи при 800 ° C в присутствии газов Ar – O 2 (соотношение Ar: O 2 = 20: 1) за 90 минут (). Унаследовав интенсивную проводимость нанопроволок ITO и функционально модифицированную поверхность после иммобилизации тиолированных ДНК-зондов, их устройства были способны обнаруживать вирус гепатита B (HBV) в линейном диапазоне концентраций от 1 фМ до 10 мкМ (LOD ≈ 1 фМ), а также отлично распознавать среди некомплементарных, несовпадающих и комплементарных олигонуклеотидных последовательностей ДНК.Кроме того, их биосенсоры HBV-ITO-FET могут сохранять стабильность и воспроизводимость до 98% и 96% исходного измеренного сигнала через 3 и 5 недель соответственно [66].

Нанопроволоки из оксида индия и олова (ITO-NW) были изготовлены путем нанесения ( A ) пленки индия и олова на золотую пленку и ( B ) определения рисунка устройств электронно-лучевой литографией до ( C ). ) обработка их с контролируемыми параметрами в трубчатой ​​печи до ( D ) формирования нанопроволок ITO [66].Перепечатано из «Биосенсоры и биоэлектроника», 105, Шариати, Полевой транзисторный ДНК-биосенсор на основе нанопроволок ITO в безмаркированном обнаружении вируса гепатита B, совместимом с технологией CMOS, 58–64, Copyright 2018, с разрешения Elsevier.

Несмотря на непопулярность биосенсоров на полевых транзисторах, оксид цинка (ZnO) с большой площадью поверхности, хорошей проводимостью и свойствами биосовместимости был независимо использован двумя исследовательскими группами Хана и Хагини для создания полевых транзисторов из нанолент ZnO (NR) (ZnO-NR-FETs). ) для обнаружения различных молекул.Прежнее сопло-струйное устройство напечатало затравочные слои ZnO для ZnO-NR для роста на подложке из полиэтилентерефталата (ПЭТ) из чернил с квантовыми точками ZnO (ZnO-QD) и достигло LOD 70 мкм при обнаружении глюкозы () [67]. В последнем использовался тонкий слой ZnO, легированного алюминием (AZO), в качестве затравочного слоя для ZnO-NR, растущих на стеклянной подложке, покрытой золотом, и он продвинулся к дальнейшему достижению 3,8 мкМ LOD в линейном динамическом диапазоне от 10 мкМ до 5 мМ. [68]. Хан и его коллеги также представили другую технику для ZnO-FET с помощью радиочастотного (RF) магнетронного распыления затравочного слоя ZnO на пластине Si / SiO 2 ().Они применили их для обнаружения фосфатов и достигли впечатляющих характеристик чувствительности (LOD = 0,5 мкМ в линейном диапазоне от 0,1 до 7000 мМ) по сравнению с недавно опубликованными фосфатными биосенсорами. В их ферментных сенсорах ZnO-NR-FET пируватоксидаза (PyO) была иммобилизована для обнаружения фосфата, а нафион был использован на поверхности для предотвращения утечки фермента и повышения чувствительности [69].

Процесс изготовления биосенсоров ZnO-FET методом сопловой печати [67]. Перепечатано из Journal of Colloid and Interface Science, 506, Bhat et al., Гибкий полевой транзисторный биосенсор с сопловой печатью для высокоэффективного обнаружения глюкозы, 188–196, Copyright 2017, с разрешения Elsevier Elsevier.

Процесс изготовления биосенсоров ZnO-FET методом радиочастотного магнетронного распыления [69]. Перепечатано из Journal of Colloid and Interface Science, 498, Ахмад и др., Полевой транзисторный биосенсор на основе ZnO Nanorods для обнаружения фосфатов, 292–297, Copyright 2017, с разрешения Elsevier.

Точно так же различные исследовательские группы из Китая и Гонконга использовали большую площадь поверхности, характерную для структуры NR для своих ISFET.По сравнению с традиционной структурой нанопроволоки, большее отношение поверхности к объему NR увеличивает эффективную площадь поверхности для обнаружения, где чувствительные элементы иммобилизованы, и, следовательно, пропорционально улучшает чувствительность датчиков [70,71,72]. Другая модифицированная структура ННК, называемая наносетями (наноструктурированными сетями), в которой ННК образуют сеть со случайной ориентацией, обладают не только большой площадью поверхности, но и устойчивостью к дефектам для повышения воспроизводимости по сравнению с обычными нанопроволоками.Поэтому он был интегрирован в транзистор p-типа и впервые применен для обнаружения ДНК в 2017 году [73].

Помимо кремния, GaN является одним из традиционных материалов с многочисленными модернизированными дебютными полевыми транзисторами. В сотрудничестве с различными исследовательскими группами из Национального университета Цин Хуа, Национального центрального университета и Национального университета Ченг Кунг было разработано неотерическое устройство для преодоления пагубного эффекта длины Дебая с использованием транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) AlGaN / GaN, которые являются химически инертными и термически стабильный, для их биосенсоров с двойным электрическим слоем (EDL) FET.В их полевых транзисторах EDL биорецепторы иммобилизованы на активном канале, который отделен от электрода затвора (). По сравнению с обычными биосенсорами FET, их EDL AlGaN / GaN HEMT не только непосредственно обнаруживают белок в физиологической среде (1 × фосфатно-солевой буфер (PBS), человеческая сыворотка (HS)) без процесса разбавления или промывки, но также способны обнаружение незаряженных молекул из-за их методологического механизма. К другим преимуществам относятся упрощенный производственный процесс быстрого обнаружения, превосходная чувствительность и повторяемость, регулируемая величина сигнала и стабильная базовая линия.Более того, эти миниатюрные чипы EDL AlGaN / GaN HEMT могут быть интегрированы с микрожидкостной системой и / или помещены в полимерную подложку, соединенную с измерительной системой, содержащей устройство чтения карт micro SD и электрическое устройство, подключенное к портативному компьютеру, отображающему результаты испытаний. Поэтому они портативны и потенциально применимы для личного здравоохранения в будущем [74,75,76,77]. Используя AlGaN / GaN в качестве материалов для ISFET, Stock et al. также интегрировали монолитную схему моста Уитстона и нанесли слой Al 2 O 3 толщиной 2 нм на область затвора, чтобы получить более плотный и однородный слой зонда для повышения чувствительности и стабильности сенсоров на полевых транзисторах, модифицированных пеницилиназой (WPenFET). до 60 дней по сравнению с теми, которые изготовлены методом химически влажного окисления, а также предотвращает значительную потерю иммобилизованного фермента для FET, модифицированного ацетилхолинэстеразой (WAcFET), в течение 12 дней [78].

Схематическая модель транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) AlGaN / GaN с активным каналом и электродом затвора, который функционализирован рецепторами, пассивируются отдельно. Только эти два компонента этого биосенсора FET подвергаются воздействию аналитов [74].

Точно так же, как только модифицируя поверхность без жесткого вмешательства в преобразователи, Jang et al. объединили полимерную мембрану на затвор полевого транзистора, чтобы преодолеть ограничение по длине Дебая и обнаружить аналит в физиологическом состоянии.Их чувствительная мембрана была изготовлена ​​путем смешивания биорецептора и 1-этил-3- (3-диметиламинопропил) карбодиимида / N-гидроксисукцинимида (EDC / NHS) с сополимером стирола и метакриловой кислоты (PSMA) перед нанесением покрытия центрифугированием. модифицированная мембрана на удаленном затворе (подложка из ПЭТ / ITO). Иммобилизованные рецепторы в полимере позволяли связывать молекулы-мишени ближе к поверхности и снижать эффект экранирования. Следовательно, их полимерные FET-биосенсоры с включенными антителами успешно детектировали кортизол в 1 × PBS с высокой чувствительностью от 10 фг / мл до 10 нг / мл и LOD 1 пг / мл [79].В последнее время Jeong et al. вышли за эту границу с LOD 1 мкМ в линейном диапазоне концентраций кортизола 100–10 нМ, что было достигнуто за счет высокой плотности иммобилизованного антитела из-за большой площади поверхности преобразователей, которые они разработали путем изготовления игольчатого углерода, легированного азотом. нановолокон с помощью электропрядения, полимеризации методом осаждения из паровой фазы (VDP) и карбонизации [80].

Новые материалы для нано-полевых транзисторов в последние годы стали свидетелями появления черного фосфора (BP), который является не только наиболее стабильным аллотропом в семействе фосфора с орторомбической решеткой, но также является привлекательным материалом для различных электронных / оптоэлектронных приложений из-за его широкая запрещенная зона и высокая подвижность носителей.По сравнению с полуметаллическим графеном и другими дихальхоненидами металлов с непрямой запрещенной зоной, БП обладает прямой запрещенной зоной, зависящей от толщины, в диапазоне от 0,3 эВ (объемный БП) до 2,0 эВ (монослой). По сравнению с MoS 2 , БП может достигать гораздо большей подвижности извлеченных полевым эффектом носителей, до ~ 1000 см 2 В -1 с -1 для нанофлейки БП толщиной 10 нм при комнатной температуре ( MoS 2 : ~ 200 см 2 V −1 с −1 ).Эти преимущества были успешно использованы для пассивирования нескольких слоев нанолистов (НП) БП на поверхности Si / SiO 2 в качестве сенсорных каналов для иммуносенсоров на полевых транзисторах () [81].

Изготовление биосенсоров с черным фосфором (BP) -FET с пассивацией диэлектрического слоя Al 2 O 3 на поверхности расслоенных нанолистов BP для предотвращения их окисления до модификации поверхности наночастиц Au и иммобилизации зонда Анти-иммуноглобулин G (Anti-IgG) [81].Перепечатано из Biosensors and Bioelectronics, 89, Chen et al., Полевые транзисторные биосенсоры с двумерными черными фосфорными нанолистами, 505–510, Copyright 2017, с разрешения Elsevier.

Органические материалы для полупроводников также немного продвинулись вперед. Поли-3-гексил-тиофен (P3HT), органический материал, который может обеспечить хороший уровень покрытия поверхности и однородность для адсорбции белка, был нанесен на Au-субстрат для электролитно-управляемого органического FET (EGO-FET) иммуносенсора прокальцитонина ( ПКТ).Физическая адсорбция антитела против PCT на субстрате, покрытом P3HT, дала первый EGO-FET, который может обнаруживать этот маркер сепсиса с LOD 2,2 пМ [82]. Один из наиболее эффективных сенсоров на органических полевых транзисторах (OFET) был разработан на основе биомолекулы гуанина и наиболее часто используемого низкомолекулярного полупроводникового пентацена для небиомедицинского применения. Их комбинация для послойного образования гуанина и пентацена на подложке Si / SiO 2 дала высокочувствительный OFET для газа NO 2 [83].

3. Антитело и его фрагменты в качестве биозондов для иммуносенсоров FET

Антитело и его фрагменты являются наиболее популярными биологическими объектами, используемыми в качестве биорецепторов, поскольку они могут специфически связываться с молекулами-мишенями (антигенами) в известной реакции, так называемой иммуноанализ для получения электрического сигнала, читаемого трандукторами. Впервые гликопротеин Эбола (EGB) был обнаружен в PBS, сыворотке и плазме человека с помощью графенового FET. На восстановленную поверхность графена сначала наносили наночастицы Al 2 O 3 и Au для иммобилизации зонда.Затем гликопротеиновые антитела человека против EBOV конъюгировали с Au NP путем модификации поверхности цистамином и глутаральдегидом. Изготовленные иммуносенсоры rGO-FET могут обнаруживать гликопротеин Эбола (EGP) с концентрацией 1 нг / мл в течение нескольких секунд в 100-кратном разведении PBS, человеческой сыворотке и плазме, что обеспечивает сверхнизкий LOD и чрезвычайно быстрое время обработки в сравнение с другими методами, доказывающими превосходство FET в этой гонке [84]. Иммуноанализ человеческого аполипопротеина A1 (hAPOA1), биомаркера рака мочевого пузыря, с помощью кремниевой нанопроволоки также демонстрирует улучшенную чувствительность по сравнению с методом твердофазного иммуноферментного анализа (ELISA) с LOD приблизительно 100 пг / мл [85].

По общему признанию, наночастицы золота (ЗНЧ) являются многообещающим кандидатом для модификации поверхности для повышения чувствительности полевого транзистора из-за их высокого отношения поверхности к объему, высокой поверхностной энергии, облегченного переноса электронов между биоспецифическим слоем и поверхностью электрода за счет проводимости. После нанесения на подложку rGO напыления тонкого слоя Al 2 O 3 и ЗНЧ для повышения производительности, анти- Escherichia coli (анти- E. coli ) функционализировали на этих НЧ с помощью глутатиола (GSH). , Линкеры EDC-NHS и бицинхониновая кислота (BCA) для обнаружения E.coli с диапазоном обнаружения 10 3 –10 5 КОЕ / мл [64]. Точно так же изготовление с Al 2 O 3 и ЗНЧ было включено в поверхностную модификацию иммуносенсоров BPNS-FET для той же функции. В обоих вышеупомянутых датчиках Al 2 O 3 играет важную роль в обеспечении их воспроизводимости и стабильности, не влияя на электрические свойства, за счет предотвращения неспецифического связывания воды или нежелательных частиц с поверхностью датчиков.Впоследствии функционализация между антителом и ЗНЧ цистамином и глутаральдегидом дала биосенсор человеческого IgG BP-FET с LOD до 10 нг / мл () [81]. Исследовательские группы из России слегка оптимизировали модификацию поверхности ЗНЧ с использованием меньшего количества связывающих химикатов и ориентированных полуфрагментов антител для обнаружения простатоспецифического антигена (ПСА) в 0,01 × PBS с впечатляющим динамическим диапазоном от 23 фг / мл до 500 нг / мл и 23 фг. / мл (≈ 0,7 фМ) LOD. Полуфрагменты анти-PSA были разделены путем расщепления дисульфидной связи в тяжелой цепи их структур с помощью 2-меркаптоэтиламина (MEA) и конъюгированы с Au NP перед закреплением на кремниевом субстрате, модифицированном GOPS-SH (3-глицидопропилтриэтоксисилан с тиоловыми группами) [86,87].Ученые в Китае продвинулись на следующий шаг, разработав аналогичные иммуноанализы с помощью NR-FET в растворе с высокой ионной силой (100 мМ PBS), и в плазме человека впервые был достигнут самый низкий диапазон обнаружения 10 пМ – 1 мкМ и 100 пМ – 1 мкМ. соответственно. По сравнению с обычными нанопроводами, увеличенная площадь поверхности структуры NR позволяет большему количеству биомолекул иммобилизоваться на чувствительном канале и, таким образом, повышает чувствительность биосенсоров на полевых транзисторах. В этом исследовании иммуносенсоры NR-ISFET были изготовлены путем модификации поверхности 3- (триметоксисилил) пропилальдегида и мПЭГ-силана на поверхности кремниевого NR перед иммобилизацией антитела против PSA.ПЭГ также играет важную роль в расширении чувствительной области ниже дебаевской длины физиологической среды для детектируемых сигналов полевых транзисторов [71]. Карциноэмбриональный антиген (CEA) — еще один биомаркер рака, также обнаруживаемый NR-FET со слегка улучшенным линейным диапазоном обнаружения до 0,01–10 нг / мл с LOD = 0,01 нг / мл по сравнению с одним используемым графен-FET. Однако эти результаты были получены в 0,01 × растворе PBS и целых антителах против CEA в качестве биорецепторов [70]. Таким образом, нарушение этого типа иммуноанализа произошло из-за иммуносенсоров EDL FET с AlGaN / GaN HEMT в качестве преобразователя и ориентированных зондов в качестве чувствительного элемента.Иммобилизованные полуфрагменты анти-CEA в качестве ориентированных зондов на золотом электроде AlGaN / GaN HEMT через тиоловую группу позволяют их сайту связывания вверх для обнаружения CEA в 1 × PBS, содержащем 1% бычий сывороточный альбумин (BSA). Дальность обнаружения может значительно уменьшиться до 100 фМ – 1 нМ. Этот результат был также получен при использовании этого сенсора EDL AlGaN / GaN HEMT FET для иммуноанализа N-концевого натрийуретического пептида про b-типа (NT-proBNP; целое антитело как биозонд) в аналогичных условиях. Кроме того, иммуносенсоры NT-proBNP EDL AlGaN / GaN HEMT FET также применимы в образце сыворотки и достигли хорошей линейности при концентрациях образца 180.9 пг / мл, 269,2 пг / мл, 660,8 пг / мл, 1848 пг / мл, 3008 пг / мл, 4596 пг / мл и 5000 пг / мл [74,75,77].

В конце 2016 года Чжан и его коллеги стали пионерами, успешно интегрировавшими систему предварительной обработки образцов в биосенсоры GFET для обнаружения BNP в цельной крови. В своем отчете они нанесли наночастицы платины (PtNP) на поверхность GFET, чтобы увеличить электрическую проводимость, прежде чем иммобилизовать анти-BNP путем модификации поверхности EDC / NHS. Затем декорированные PtNP иммуносенсоры GFET были интегрированы с изготовленным на заказ микрофильтром и поликарбонатными мембранами с порами 400 нм для удаления клеток крови перед доставкой в ​​изготовленные каналы GFET для восприятия BNP, которые также достигли LOD на уровне 100 фМ в 0.001 × концентрация PBS и BNP в цельной крови до 50 нМ () [88]. Два года спустя исследовательская группа из Германии преодолела эту границу с устройством rGO-ISFET, которое может обнаруживать самую низкую концентрацию NT-proBNP от 1 до 10 (пг / мл) с расчетным LOD 30 пг / мл, что ниже пороговое значение стадии 1 сердечной недостаточности (100 пг / мл для мужчин и 125 пг / мл для женщин по данным Нью-Йоркской кардиологической ассоциации) и позволяет диагностировать состояния здоровья [89].

Интеграция индивидуального микрофильтра в биосенсоры на полевых транзисторах из восстановленного оксида графена (rGO), украшенные наночастицами платины (PtNP) [88].Перепечатано из Biosensors and Bioelectronics, 91, Lei et al., Detection of Heart Failure-Related Biomarker in Who Blood with Graphene Field Effect Transistor Biosensor, 1–7, Copyright 2017, с разрешения Elsevier.

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) — еще одна проблема глобального общественного здравоохранения, связанная с сердечно-сосудистыми заболеваниями (ССЗ) и ревматоидным артритом (РА). Несколько месяцев назад индийские и корейские ученые из различных исследовательских групп разработали сверхчувствительный интеллектуальный наносенсор на основе графена, который может обнаруживать биомаркеры трех вышеупомянутых больных в линейном диапазоне 1 фг / мл – 1 мкг / мл, а также LOD 100 фг. / мл (p24 — биомаркер ВИЧ) и 10 фг / мл (сердечный тропонин 1 (cTn1) — биомаркер CVD и циклический цитруллинированный пептид (CCP) — биомаркер RA).Все они буквально имеют самый низкий LOD по сравнению с достижениями предыдущих публикаций, что является новой вехой в технологии определения этих биомаркеров [90]. Безмаркированное обнаружение рака легких и рака печени также стало свидетелем следующего шага с одновременным обнаружением мультианалита цитокератинового фрагмента 21-1 (CYFRA 21-1, биомаркер рака легких) и α-фетопротеина (AFP, биомаркер рака печени). человеческая сыворотка. Их количественный анализ позволил достичь LOD 1 нг / мл (CYFRA 21-1) и 10 нг / мл (AFP) в линейном диапазоне от 1 до 100 нг / мл, открыв будущее для клинической диагностики множественных биомаркеров в сыворотке крови человека [91 ].

Диагностика пестицидов — еще одно биомедицинское приложение, в котором FET также недавно запечатлелся и сразу же впечатлил своим престижем, успешно проанализировав хлорпирифос, пестицид, ингибирующий ацетилхолинэстеразу и ответственный за тяжелые неврологические, аутоиммунные и стойкие нарушения развития у людей при длительном лечении. Биосенсор, разработанный на основе микрожидкостного графенового полевого транзистора и антител против хлорпирифоса, может обнаруживать этот антиген в пробе с добавкой при LOD до 1.8 фМ в линейном диапазоне от 1 фМ до 1 мкМ, опережая LOD, достигнутый предыдущими методами, и устанавливая веху в технологии обнаружения этой биомолекулы [92].

Кроме того, антитело также действует в небиомедицинских приложениях, например, для обнаружения вируса ящерицы сливы (PPV) — патогена, ответственного за инфекционное заболевание на косточковом дереве под названием Шарка. В сочетании с органическими полевыми транзисторами с электронным управлением (EGOFET), IgG к PPV и протеином G (для высоко однородных и ориентированных антител, иммобилизованных на чувствительной поверхности) биосенсоры EGOFET способны работать в динамическом диапазоне от 5 нг / мл до 50 мкг / мл с LOD 180 пг / мл концентрации PPV [93].

4. Зонды нуклеиновых кислот для биосенсоров FET

Последовательность на основе нуклеиновой кислоты — еще один фактор биологического распознавания, известный своим специфическим связыванием с лигандами-мишенями. Молекула на основе нуклеиновой кислоты — один из двух самых популярных видов биомаркеров, которые могут обнаруживать сенсоры FET с зондом ДНК / РНК. В последние годы были предприняты попытки любой ценой улучшить чувствительность датчиков нуклеиновых кислот на основе полевых транзисторов.

Впервые интеграция полевых транзисторов с модуляцией органического заряда (OCMFET) с зондами в форме шпильки не только повышает производительность, но и открывает будущее для нового класса недорогих, простых в эксплуатации и портативных генетических датчиков (группа Наполи) [94].OCMFET — идеальный кандидат для выполнения детектирующих измерений в водной среде из-за его физического разделения между чувствительной областью и органическим полупроводником. Сообщается, что по сравнению с другими возможными конформациями, шпилька-зонд дает отличные результаты в различных приложениях, особенно для датчиков ДНК, работающих по механизму включения-выключения в режиме на основе меток. Сенсор был приготовлен путем модификации поверхности с использованием ДНК в форме шпильки в качестве распознающего элемента с помощью тиоловой группы и 6-меркапто-1-гексанола (MCH) в качестве спейсера и блокирующего агента.Изготовленный сенсор может обнаруживать гибридизацию ДНК с целевой концентрацией до 100 пМ [94].

Изготовляя биосенсоры на полевых транзисторах для обнаружения небольших ДНК, Гао и соученые продвинулись к дальнейшему прорыву, увеличив чувствительность примерно в 20 000 раз (по сравнению с обычной чувствительностью в диапазоне нМ 20-мерного датчика ДНК на полевых транзисторах) с помощью инженерной ДНК-зонд в виде шпильки, обеспечивающий рециклинг мишени и цепную реакцию гибридизации. Предложенная ими стратегия была применима для обнаружения 21-мерной ДНК при целевой концентрации ниже fM с высокой специфичностью в отношении одноосновных ошибочных последовательностей.Подобно группе Наполи, шпилька ДНК была иммобилизована на поверхности GFET с помощью N-гидроксисукцинимидного эфира 1-пиренмасляной кислоты (PBASE) в модификации поверхности N, N-диметилформамидом. Новизна этого метода исходит от помощников ДНК, которые могут запускать рециклинг мишени и цепную реакцию гибридизации, приводить к усилению сигнала событий биораспознавания и, следовательно, к чувствительности ракеты до 20000 раз (LOD ≈ 5 фМ для обнаружения 21-мер) по сравнению с предыдущими публикациями. [95]. Другой эксклюзивный дизайн нуклеотид-зонда исходит от нейтрализованной ДНК (яДНК; разработана в результате исследования, активированного в 2013 году [27]), в котором две частично нейтрализованные ДНК проявляют лучшую чувствительность и селективность, чем обычная и полностью нейтрализованная ДНК при гибридизации (достигли LOD of 0.1 фМ) [28]. ЯДНК может также в значительной степени различать идеальные и несовпадающие последовательности GC-богатых однонуклеотидных полиморфизмов (содержание GC: 75%), хотя гибридизацию следует проводить в среде с низкой ионной силой (10 мМ бис-трис-пропан), чтобы максимизировать эффект дискриминации [62].

Усовершенствования недорогих MoS 2 -FET ДНК-сенсоров постоянно появляются в этот период, начиная с фосфородиамидат-морфолиноолигонуклеотидов (PMO), третьего поколения антисмысловых олигонуклеотидов, в качестве распознающего элемента.По сравнению с ДНК, PMO имеет нейтральный каркас из морфолиновых колец, который слабо влияет на поведение гибридизации PMO-ДНК и, следовательно, ухудшает влияние шума на чувствительность и сигнал обнаружения. Включение PMO с MoS 2 -FET впервые не только увеличило обнаруживаемость ДНК-сенсора с LOD до 6 фМ в 0,5 × PBS, но также произвело ДНК-сенсор с потенциальным использованием для обнаружения реальных образцов после того, как было доказано обнаружение 10 ФМ и 1 пМ мишень в 10-кратно разведенной сыворотке человека.Однако некоторые ограничения все еще оставались, особенно изготовление нанолиста MoS 2 на подложке SiO 2 / Si (капельное литье), а также неконтролируемая ориентация процесса модификации поверхности и гибридизации [96]. Следуя этой тенденции, исследовательская группа в Пекине преодолела вышеупомянутый недостаток модификации поверхности путем оптимизации плотности зонда с помощью функционализации AuNP перед иммобилизацией последовательности ДНК для захвата ее дополнительной мишени, биомаркера синдрома Дауна.Их ДНК-сенсоры на основе MoS 2 способны обнаруживать этот биомаркер с уровнем детализации ниже 100 аМ и реагировать с его концентрацией всего лишь 1 фМ в режиме реального времени. Изготовленные сенсоры также продемонстрировали выдающуюся специфичность и селективность с ответом до 240% по сравнению с ранее описанными биосенсорами MoS 2 FET, полностью подходящими для скрининга синдрома Дауна [97]. Вступив в эту гонку, лаборатории из Португалии достигли самого низкого LOD дискриминации однонуклеотидного полиморфизма (SNP) при 25 аМ с помощью своих графеновых FET (GFET) сенсоров [98].

NR-ISFET, работающий в режиме двойных ворот, может обнаруживать 20-мерную ДНК Cordyceps sinensis (CorS), одного из самых редких золотых червей и наиболее ценных традиционных китайских лекарств (TCM) с мультимедицинскими функциями, с помощью LOD всего 50 пМ. Зонд 20-мерной ДНК был размещен на поверхности NR-ISFET через APTES и глутаральдегид для обнаружения трех типов 20-мерной мишени, включая ее комплементарную (20-мерную ДНК CorS), 5-членное несовпадение и полностью некомплементарные последовательности. С одной стороны, по сравнению с обычным ISFET, их биосенсоры NR-ISFET, возможно, работали с меньшим количеством образца и более коротким временем обнаружения.С другой стороны, по сравнению с режимом с одним гейтом чувствительность и специфичность были значительно повышены [72].

Также возможно иммобилизовать зонды нуклеиновой кислоты на канале FET для обнаружения белка. Среди зондов нуклеиновых кислот для обнаружения белков аптамер оказался элитным кандидатом, поскольку он способен связываться с различными белками с высокой аффинностью и специфичностью. В частности, аптамеры являются многообещающими факторами распознавания для замены объемных антител в иммуноанализах с помощью FET, потому что их компактный размер в основном меньше длины Дебая, а события связывания с биоразнообразием, следовательно, притягиваются ближе к сенсорной поверхности, что позволяет легко регистрировать изменение потенциала.Таким образом улучшается общая чувствительность и селективность FET-иммуносенсоров. Действительно, аптамеры были закреплены на преобразователях EDL AlGaN / GaN HEMT FET, упомянутых в разделе 2, для обнаружения C-реактивного белка (CRP) и обратной транскриптазы вируса иммунодефицита человека-1 (ОТ ВИЧ-1) в 1 × PBS, содержащем 1% BSA. и в сыворотке крови человека. Первый был обнаружен от 1 фМ до 100 нМ (охватывающий области от низкого до высокого риска сердечно-сосудистых заболеваний), особенно в ранге 9–26 нМ (считающийся средним риском сердечно-сосудистых заболеваний), а второй мог быть распознан при концентрации от От 1 фМ до 10 пМ [74,76].Однако, используя аптамер для распознавания ВИЧ-1, ученые из Малайзии также достигли LOD только при 600 пМ с многостенным полевым транзистором из углеродных нанотрубок в качестве преобразователя [99]. Важный скачок в тестах на ВИЧ-1 с помощью аптамеров произошел с новыми жидкостно-ионными биосенсорами на основе полевых транзисторов, созданными иранскими исследователями, которые могут обнаруживать ДНК ВИЧ в линейном диапазоне от 1 до 10 нМ и достигать 0,3 мкМ LOD. Более того, их биосенсоры на основе полевых транзисторов потенциально применимы для клинических применений из-за хорошей чувствительности и высокой степени извлечения в реальных образцах крови [100].

Singh et al. разработан и разработан полевой транзистор с расширенными затворами с взаимно цифровыми золотыми микроэлектродами (IDµE) для обнаружения биомаркера малярии глутаматдегидрогеназы (PfGDH) плазмодия falciparum в образцах сыворотки с помощью 90-мерной оцДНК (тиолированного аптамера), селективной к PfGDH. По сравнению с аналогичными исследованиями, их зарегистрированный датчик показал сопоставимые LOD с 16,7 пМ PfGDH в добавленном буфере и 48,6 пМ PfGDH в образцах сыворотки, а также превосходный диапазон обнаружения 0,1 пМ – 10 нМ для обоих типов аналитов [101].Hao et al. модифицированный субстрат GFET с помощью PBASE для иммобилизации инсулин-специфического аптамера IGA3 и был способен обнаруживать инсулин в бикарбонатном буфере Кребса-Рингера (KRB) с концентрацией от 100 пМ до 1 мкМ и LOD 35 пМ [102].

Помимо компактной структуры и высокого сродства со специфическими белками, еще одним преимуществом аптамеров является способность конформационного изменения после связывания с соответствующими мишенями. Вместе с препятствиями из-за длины экранирования Дебая, обнаружение низко- или незаряженных лигандов незначительно влияет на трансдуктивность полевого транзистора и приводит к неразличимым событиям связывания через электрический сигнал.Конформационные изменения в заряженных рецепторах аптамеров, которые произошли в пределах или в непосредственной близости от длины Дебая, могут генерировать достаточное изменение поверхностного потенциала, чтобы преодолеть эту проблему. Накацука и его товарищи по команде используют эту функцию для определения малых молекул (серотонина, дофамина, глюкозы и сфингозин-1-фосфата (S1P)) полевыми транзисторами в физиологических растворах. В этом исследовании аптамеры со структурой «стебель-петля» были выбраны в качестве биорецепторов для их биосенсоров FET. Модуляция выходного сигнала, запускаемая конформационным изменением отрицательно фосфодиэфирных основных цепей после обнаружения несущественно заряженных мишеней, распознается и обрабатывается электрическими измерительными системами [103].

5. Выводы и перспективы на будущее

Как указывалось с самого начала, в этом обзоре основное внимание уделяется разработкам, связанным с полевыми транзисторами, в биомедицинских приложениях за самые последние периоды. С этой целью мы сначала вернулись к ранней истории ISFET с его изобретением и рабочим механизмом, а затем быстро рассмотрели преобразователи и биорецепторы, два наиболее важных компонента биосенсоров FET. Это краткое введение дает общую справочную информацию, чтобы помочь читателям следить за основной темой замечательных исследований в этой области в течение периода 2016–2019 годов, проанализированных в последующих разделах и обобщенных в.

Таблица 1

Сводка замечательных публикаций биосенсоров FET для биомедицинских приложений с 2016 по начало 2019 года.

914 Восстановленный графен 914- 911 GBS 914 927 914 927 914 914 914 GBS 927 мМ мкМ7 Оксид цинка7 914 0,02 · CE14 914 n / мл8 914itride Алюминий 914аллий Алюминий 9 100 фМ8 Кремний7 [102] ) Оксид
Материал преобразователя Биозонд Target Molecule Analyte LOD Line
Графеновая пена АТФ-аптамер АТФ 0,1 × HS 0,5 пМ 0,5 пМ – 50 мкМ [63]
E.кишечная палочка E. coli Деионизированная вода
Речная вода
10 3 КОЕ / мл
10 4 КОЕ / мл
10 3 –10 5 КОЕ / мл [64]
Оксид индия Нанопроволока ДНК ДНК HBV 100 мМ PBS 1 фМ 1 фМ – 10 мкМ [66]
Оксид цинка Нанориббон ​​ 0.0–80 мМ [67]
Нанолента оксида цинка GOx Глюкоза 10 мМ PBS 3,8 мкМ 10 мкМ – 5 мМ Оксид цинка 914 PyO Фосфат 0,02 M HEPES 0,5 мкМ 0,1 мкМ – 7 мМ [69]
Кремниевая нанолента Anti-CE14 P27 0.01–100 нг / мл [70]
Кремниевая нанолента Анти-ПСА PSA 100 мМ PBS
HS
10 пМ
100 пМ
10 пМ 914– 1 мкМ 1 мкМ [71]
Кремниевая нанолента ДНК ДНК CorS 0,1 × PBS 50 пМ 50 пМ – 1 мкМ [72]
Аптамер ВИЧ-1
Половина анти-CEA
Аптамер CRP
Аптамер CRP
Анти-NT-proBNP
ВИЧ-1 RT
CEA
CRP
CRP
NT-proBNP
1 × PBS
1 × 1 × PBS
1 × PBS
1 × 1 × PBS
PBS
HS
HS
1 фМ – 10 пМ
100 фМ – 1 нМ
1 фМ – 100 нМ
0.34–23,2 мг / л
180,9 пг / мл– 5 нг / мл
[74]
Оксид индия и олова Анти-кортизол Кортизол 1 × PBS 1 пг / мл фг / мл – 10 нг / мл [79]
Игольчатое углеродное нановолокно Анти-кортизол Кортизол PBS 100 AM 100 AM – 1014 нМ
Черный фосфор Анти-IgG Человеческий IgG 0.01 × PBS 10 нг / мл 10–500 нг / мл [81]
Поли-3-гексилтиофен Анти-PCT PCT PBS 914 pM 0,8 пМ – 4,7 нМ [82]
Графен Анти-EGP человека EGP 0,01 × PBS, HS, плазма человека 1 нг / мл 1–14428 914 нг / мл [84]
Кремниевая нанопроволока Анти-APOA1 hAPOA1 0.01 × PBS 1 нг / мл 100 пг / мл – 10 мкг / мл [85]
Кремниевая нанолента Anti-PSA PSA 0,01 × PBS 914 г / 28 23 фг / мл – 500 нг / мл [86]
Восстановленный оксид графена Анти-BNP BNP 0,001 × PBS 100 фМ 100 [фМ] 88]
Восстановленный оксид графена Анти-NT-proBNP NT-proBNP HS 10 пг / мл [89]
Графен Анти-p24
Анти-cTn1
Анти-CCP
p24-HIV
cTn1
CCP
50 мМ PBS
50 мМ PBS 914 914 50 мМ PBS 914 914 50 мМ PBS 27 914 50 мМ мл
10 фг / мл
10 фг / мл
1 фг / мл – 1 мкг / мл
1 фг / мл – 1 мкг / мл
1 фг / мл – 1 мкг / мл
[90]
Кремний Anti-AFP
Anti-CYFRA 21-1
AFP
CYFRA 21-1
HS
HS
10 нг / мл
1 нг / мл
1–100 нг / мл
1–100 нг / мл
[91]
Графен Антихлорпирифос Хлорпирифос Стандартный PB 1.8 фМ 1 фМ – 1 мкМ [92]
Пентацен Анти-PPV PPV 50 мМ PBS 180 пг / мл 5 нг / мл 914–5028 мкг [93]
Органический ДНК в форме шпильки ДНК TE 1 M NaCl 100 пМ 100 пМ – 10 нМ [94]
Графен в форме шпильки ДНК ДНК 5 × солевой раствор цитрат натрия 5 фМ [95]
Дисульфид молибдена Фосфородиамидат Morpholino Oligos ДНК 0.5 × PBS
10 × разведенный HS
6 фМ
10 фМ – 1 нМ
10 фМ – 1 пМ
[96]
Дисульфид молибдена ДНК ДНК 914 P27 100 аМ 100 ам – 1 фМ [97]
Графен ДНК ДНК 10 мМ ФБ, 150 мМ NaCl, 50 мМ MgCl 2 14 25 аМ [98]
Многослойные углеродные нанотрубки Аптамер ВИЧ-1 Tat ВИЧ-1 Образец крови 600 пМ 0.2 нМ – 1 мкМ [99]
Оксид никеля ДНК ДНК ВИЧ 0,01 M PBS 0,3 aM 1 aM – 10 нМ [100]
PfGDH Аптамер PfGDH HS
50 мМ K 3 PO 4 ,
50 мМ NaCl, 5 мМ KCl,
2,5 мМ MgCl 2
48,6 пМ
16,7 1027 100 мкМ нМ
100 фМ – 10 нМ
[101]
Графен Инсулиновый аптамер Инсулин PBS 35 пМ 100 пМ – 1 мкМ Допаминовый аптамер
Серотониновый аптамер
S1P-аптамер
Глюкозный аптамер
Глюкозный аптамер
Дофамин
Серотонин
Липид S1P
Глюкоза
914 914 aC28 aC28 1 × 1CFBS14 914 914 aC28 aC28 1 HEPES
1 × Буфет для звонка r
Цельная кровь, разведенная 1 × буфером Рингера
10 −14 –10 −9 M
10 −14 –10 −9 M
10 пМ – 100 нМ
10 пМ – 10 нМ
10 мкМ – 1 мМ
[103]
Кремний Красный Конго Фибриллы Aβ HS 100 пМ – 10 мкМ [104]
Оксид металла F (ab ‘) 2 анти-ТТГ ТТГ Сыворотка 500 фМ 500 фМ – 10 нМ [105]
Графен F (ab ‘) 2 анти-ТТГ ТТГ Сыворотка 10 фМ 0.8 фМ – 1 нМ [106]
Одностенные углеродные нанотрубки Нанотело GFP 100 мМ Трис <1 пМ – 10 нМ [107]

Применение FET-наносенсоров в клинических испытаниях для обнаружения биомолекул серьезно затруднено не только из-за ионного скрининга, вызванного высокой ионной силой физиологической среды (концентрация соли выше чем 100 мМ), с точки зрения обнаружения электрического сигнала, но также критически затруднено из-за присутствия нескольких белков и лигандов в образцах сыворотки с точки зрения чувствительности.Однако, несмотря на то, что было опубликовано множество публикаций, предлагающих решения для первого, попытки преодолеть ущерб последнего все еще очень ограничены. Блокирование несвязывающей поверхности после процесса иммобилизации является наиболее популярной стратегией с этаноламином, БСА, 6-меркапто-1-гексанолом (MCH) в качестве обычных блокирующих агентов. Большая часть решения для длины скрининга Дебая сосредоточена на выполнении обнаружения в разбавленных аналитах с низкой ионной силой и / или использовании малых молекул в качестве биорецепторов (фрагменты антител, аптамер ДНК и аптамер РНК).Конго красный — это новейший компактный фактор узнавания, поскольку он использовался в качестве замены антител и позволяет измерять фибриллы Aβ в сыворотке крови человека с концентрацией от 100 пМ до 10 мкМ [104]. Хидешима и его коллеги раскрыли совершенно другой подход к решению этого препятствия, предложив додецилсульфат натрия (ДСН), ионное поверхностно-активное вещество, для усиления сигнала восприятия гречишного белка (BWp16), аллергена в обработанной пище. Их метод усиления сигнала, индуцированного поверхностно-активным веществом, дает дополнительные отрицательные заряды, возникающие в результате связывания SDS с BWp16, достаточного для изменения проводимости, обнаруживаемого FET после связывания с блокированными этаноламином Fab-фрагментами анти-BWp16 [108].

Gao et al. положил начало тенденции смешанных самоорганизующихся монослоев (смешанные-SAM) для преодоления этого препятствия путем модификации поверхности SiNW полиэтиленгликолем (PEG) для расширения обнаруживаемой области для биочувствительности простатспецифического антигена (PSA) в 150 мМ фосфатном буфере (PB 😉 [109]. Группа Тарасова сделала следующий шаг, представив серию, в которой предлагались смешанные SAM в качестве эксклюзивной тактики модификации поверхности, объединяющей различные типы фрагментов антител [105,106,107,110].Два из них использовали рецепторы мПЭГ 10 кДа и F (ab ‘) 2 для обнаружения тиреотропного гормона (ТТГ) в цельной сыворотке с LOD ниже 500 фМ (с помощью металлооксидных полупроводниковых транзисторов с расширенным стробированием (MOSFET) с золотым зондированием). канал), который имеет на пять порядков меньшую LOD и значительную профилактику неспецифического связывания [105], и 10 фМ (с помощью электролитно-управляемых GFET) [106]. Кроме того, недавно с помощью моделирования было завершено подробное исследование по этой теме для выяснения механизма действия ПЭГ на ионный скрининг зарядов аналита [110].Другой, использующий фрагменты VHH-антитела тяжелой цепи верблюда (VHH: однодоменные антитела верблюда, также называемые нанотелами), один из самых коротких биологических рецепторов (молекулярная масса ≈ 13 кДа и длина <3 нм). Компонентами смешанных SAM являются 1-пиреномасляная кислота (PBA) и mPEG-пирен (молекулярная масса ≈ 10 кДа;) [107]. Изготовленные ими иммуносенсоры CNT-FET могут обнаруживать зеленый флуоресцентный белок (GFP) от менее 1 пМ до 10 нМ. Однако вместо того, чтобы нести функцию предотвращения обрастания, расширение чувствительной области ниже длины Дебая является основной ролью мПЭГ-пирена в их серии [105,106,110], что позволяет им получить примерно трехкратное усиление сигнала [106].В частности, по сравнению с аналогичными исследованиями с использованием фрагментов антител, их сенсоры являются единственными сенсорами, которые могут проводить иммуноанализы в 100 мМ и цельной сыворотке, в то время как среда восприятия других представляет собой 10 мМ или более разбавленный буфер [105,106,107,110]. Таким образом, переход к модификации поверхности с помощью смешанных SAM становится потенциально двойной функциональной стратегией для подавления вреда, связанного с высокой ионной силой и нежелательного связывания, вызванного множеством белков в окружающей среде сыворотки. Эти смешанные SAM, возможно, состоят из линкера и факторов, препятствующих обрастанию, в которых производные ПЭГ и цвиттерионные материалы являются многообещающими кандидатами для частичного предотвращения приближения интерферирующих белков к поверхности сенсора, а также препятствования специфическому связыванию зондов и мишеней посредством образования гидратированные слои.Более того, необходимо рассматривать блокирующую поверхность, которая позволяет избежать неспецифического связывания между немодифицированными линкерами и мишенями, как решающий шаг для улучшения противоинтерференционных функций биосенсоров FET. В конечном счете, фрагменты антител и аптамеры с их компактной структурой и хорошо контролируемой ориентацией непреодолимы для оптимизации чувствительности FET-биосенсоров. Таким образом, будущие биосенсоры на полевых транзисторах потенциально представляют собой комбинации всех вышеупомянутых частей (компактные и ориентированные зонды, линкеры с функциями защиты от обрастания и блокирующие агенты) для биомедицинских приложений, особенно для клинического зондирования и медицинской диагностики.

Модификация поверхности кремниевых нанопроволок смешанными SAM, состоящими из APTES и PEG-силана [109]. Перепечатано с разрешения Nano Letters, 15, Gao et al., General Strategy for Biodetection in High Ionic Strength Solutions Using Transistor-Based Nanoelectronic Sensors, 2143–2148. Авторское право, 2015 г., Американское химическое общество.

Поверхностная модификация поверхности сетки УНТ смешанными SAM, состоящими из PBA и mPEG-пирена [107]. Перепечатано из «Датчики и приводы» B: Chemical, 255, Filipiak et al., Высокочувствительное, селективное и не содержащее меток определение белка в физиологических растворах с использованием транзисторов из углеродных нанотрубок с рецепторами нанотел, 1507–1516, Copyright 2018, с разрешения Elsevier.

Благодарности

Мы глубоко признательны Министерству науки и технологий (MOST) Тайваня за финансовую помощь (грант № 106-2622-8-009-012-TM).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1.Кларк Л.С., младший, Лайонс К. Электродные системы для непрерывного мониторинга в сердечно-сосудистой хирургии. Анна. Акад. Sci. 1962; 102: 29–45. DOI: 10.1111 / j.1749-6632.1962.tb13623.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 2. Тотхилл И. Биосенсоры для диагностики онкологических маркеров. Семин. Cell Dev. Биол. 2009. 20: 55–62. DOI: 10.1016 / j.semcdb.2009.01.015. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 3. Лиглер Ф.С., Тейтт С.Р., Шрайвер-Лейк Л.С., Сапсфорд К.Е., Шубин Ю., Голден Дж. П. Массивный биосенсор для обнаружения токсинов.Анальный. Биоанал. Chem. 2003; 377: 469–477. DOI: 10.1007 / s00216-003-1992-0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 4. Банни Дж., Уильямсон С., Аткин Д., Жаннере М., Коццолино Д., Чепмен Дж., Пауэр А., Чандра С. Использование электрохимических биосенсоров в анализе пищевых продуктов. Curr. Res. Nutr. Еда. Sci. 2017; 5: 83–95. DOI: 10.12944 / CRNFSJ.5.3.02. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Пантелопулос А., Бурбакис Н.Г. Обзор носимых сенсорных систем для мониторинга и прогноза здоровья. IEEE Trans. Syst. Человек Киберн.Syst. 2010; 40: 1–12. DOI: 10.1109 / TSMCC.2009.2032660. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Чаплин М.Ф., Бак К. Энзимная технология. 1-е изд. Издательство Кембриджского университета; Кембридж, Великобритания: 1990. Биосенсоры. [Google Scholar] 7. Тевенот Д.Р., Тот К., Дерст Р.А., Уилсон Г.С. Электрохимические биосенсоры: рекомендуемые определения и классификация. Биосенс. Биоэлектрон. 2001. 16: 121–131. DOI: 10.1081 / AL-100103209. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 8. Бергвельд П. Разработка ионно-чувствительного твердотельного устройства для нейрофизиологических измерений.IEEE Trans. Биомед. Англ. 1970; БМЭ-17: 70–71. DOI: 10.1109 / TBME.1970.4502688. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 9. Цуй Ю., Вэй К., Пак Х., Либер К. Наносенсоры на основе нанопроволоки для высокочувствительного и селективного обнаружения биологических и химических видов. Наука. 2001; 293: 1289–1292. DOI: 10.1126 / science.1062711. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Zheng G., Patolsky F., Cui Y., Wang W.U., Lieber C.M. Мультиплексное электрическое обнаружение онкологических маркеров с помощью массивов датчиков на основе нанопроволоки. Nat. Biotechnol.2005; 23: 1294–1301. DOI: 10,1038 / NBT1138. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Патольский Ф., Чжэн Г., Либер К.М. Изготовление устройств на кремниевых нанопроводах для сверхчувствительного обнаружения биологических и химических видов в реальном времени без использования этикеток. Nat. Protoc. 2006; 1: 1711–1724. DOI: 10.1038 / nprot.2006.227. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 12. Стерн Э., Клемич Дж.Ф., Рутенберг Д.А., Вырембак П.Н., Тернер-Эванс Д.Природа. 2007; 445: 519–522. DOI: 10,1038 / природа05498. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Хуан Ю.-В., Ву С.-С., Чуанг С.-К., Панг С.-Т., Пан Т.-М., Ян Ю.-С., Ко Ф.-Х. Обнаружение простат-специфического антигена в сыворотке крови человека в режиме реального времени и без меток с помощью поликристаллического кремниевого нанопроволока с полевым транзисторным биосенсором. Анальный. Chem. 2013; 85: 7912–7918. DOI: 10.1021 / ac401610s. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 14. Lin C.-H., Hung C.-H., Hsiao C.-Y., Lin H.-C., Ko F.-H., Yang Y.-S. Поликремниевый нанопроволочный полевой транзистор для сверхчувствительного и безметочного обнаружения ДНК патогенного птичьего гриппа.Биосенс. Биоэлектрон. 2009; 24: 3019–3024. DOI: 10.1016 / j.bios.2009.03.014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Хуан Ю., Дуань Х., Вэй К., Либер К.М. Направленная сборка одномерных наноструктур в функциональные сети. Наука. 2001; 291: 630–633. DOI: 10.1126 / science.291.5504.630. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 16. Ю. Г., Цао А., Либер К. М. Выдувные пузырьковые пленки большой площади из ориентированных нанопроволок и углеродных нанотрубок. Nat. Nanotechnol. 2007. 2: 372–377. DOI: 10.1038 / nnano.2007.150. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17.Фан З., Хо Дж. К., Якобсон З. А., Йерушалми Р., Элли Р. Л., Разави Х., Джави А. Сборка высокоупорядоченных полупроводниковых нанопроволок в масштабе пластины с помощью контактной печати. Nano Lett. 2008; 8: 20–25. DOI: 10.1021 / nl071626r. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18. Дуань X., Хуан Ю., Цуй Ю., Ван Дж., Либер К.М. Нанопроволоки из фосфида индия как строительные блоки для наноразмерных электронных и оптоэлектронных устройств. Природа. 2001; 409: 66–69. DOI: 10,1038 / 35051047. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 19. Ачарья С., Панда А.Б., Белман Н., Эфрима С., Голан Ю. Сборка полупроводников и нанопроволок сверхвысокой плотности перехода по методу Ленгмюра – Блоджетт. Adv. Матер. 2006; 18: 210–213. DOI: 10.1002 / adma.200501234. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Чжэн З., Ган Л., Чжай Т. Матрицы из электропряденой нанопроволоки для электроники и оптоэлектроники. Sci. China Mater. 2016; 59: 200–216. DOI: 10.1007 / s40843-016-5026-4. [CrossRef] [Google Scholar] 22. Хит Дж. Р. Перенос структуры нанопроволоки в сверхрешетке (SNAP) Acc. Chem. Res. 2008. 41: 1609–1617.DOI: 10.1021 / ar800015y. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Цзя К., Линь З., Хуан Ю., Дуань Х. Нанопроволочная электроника: от наномасштаба к макромасштабу. Chem. Ред.2019; 119: 9074–9135. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.9b00164. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25. Ченг С., Хотани К., Хидешима С., Куроива С., Наканиши Т., Хашимото М., Мори Ю., Осака Т. Полевой транзисторный биосенсор с использованием антигенсвязывающего фрагмента для обнаружения опухолевых маркеров в сыворотке крови человека. Материалы. 2014; 7: 2490–2500. DOI: 10.3390 / ma7042490.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 26. Lin C.-H., Chu C.-J., Teng K.-N., Su Y.-J., Chen C.-D., Tsai L.-C., Yang Y.-S. Обнаружение ДНК патогенного птичьего гриппа с помощью полевого транзистора на основе нанопровода. Jpn. J. Appl. Phys. 2012; 51: 02BL02. DOI: 10.7567 / JJAP.51.02BL02. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Chen W.-Y., Chen H.-C., Yang Y.-S., Huang C.-J., Chan H.W.-H., Hu W.-P. Улучшенное обнаружение ДНК за счет использования электрически нейтрального ДНК-зонда в измерениях полевых транзисторов, что подтверждается визуализацией поверхностного плазмонного резонанса.Биосенс. Биоэлектрон. 2013; 41: 795–801. DOI: 10.1016 / j.bios.2012.10.010. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 28. Ху В.-П., Цай Ч.-К., Ян Ю.-С., Чан Х.В.-Х., Чен В.-Й. Синергетическое улучшение чувствительности и специфичности генного чипа полевого транзистора на основе нанопроволоки путем создания нейтрализованной ДНК в качестве зонда. Sci. Отчет 2018; 8: 12598. DOI: 10.1038 / s41598-018-30996-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 29. Патольский Ф., Чжэн Г., Хайден О., Лакадамяли М., Чжуан Х., Либер К.М. Электрическое обнаружение одиночных вирусов.Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 2004. 101: 14017–14022. DOI: 10.1073 / pnas.0406159101. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Чжан Г.-Дж., Чжан Л., Хуанг М.Дж., Ло З.Х.Х., Тай Г.К.И., Лим Э.-Дж.А., Кан Т.Г., Чен Ю. Кремниевый нанопроволочный биосенсор для высокочувствительного и быстрого обнаружения вируса денге. Приводы Sens. B Chem. 2010. 146: 138–144. DOI: 10.1016 / j.snb.2010.02.021. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Lin C.-H., Hsiao C.-Y., Hung C.-H., Lo Y.-R., Lee C.-C., Su C.-J., Lin H.-C., Ko Ф.-H., Huang T.-Y., Yang Y.-S. Сверхчувствительное обнаружение дофамина с использованием поликремниевого нанопроволочного полевого транзистора. Chem. Commun. 2008; 44: 5749–5751. DOI: 10.1039 / b812968a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. Wu C.-C., Ko F.-H., Yang Y.-S., Hsia D.-L., Lee B.-S., Su T.-S. Безмаркировочный биосенсинг мутации гена с использованием полевого транзистора из кремниевых нанопроволок. Биосенс. Биоэлектрон. 2009. 25: 820–825. DOI: 10.1016 / j.bios.2009.08.031. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Линь М.-Ю., Сюй В.-Й., Ян Ю.-С., Хуанг Дж.-В., Чунг Ю.-Л., Чен Х. Усиление с иммобилизованным вращающимся кругом на полевых транзисторах с расширенным затвором и интегрированными схемами считывания для раннего обнаружения фактора роста, производимого тромбоцитами . Анальный. Биоанал. Chem. 2016; 408: 4785–4797. DOI: 10.1007 / s00216-016-9568-у. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Ло Ю.-Р., Чен Х.-М.П., ​​Ян Ю.-С., Лу М.-П. Способность обнаружения газа на поликристаллической кремниевой нанопроволоке. ECS J. Solid State Sci. Technol. 2018; 7: Q3104 – Q3107. DOI: 10,1149 / 2.0161807jss. [CrossRef] [Google Scholar] 35. Гао X.P.A., Чжэн Г., Либер К.М. Подпороговый режим обладает оптимальной чувствительностью для нанопроволочных биосенсоров на полевых транзисторах. Nano Lett. 2010; 10: 547–552. DOI: 10.1021 / NL

19. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Чжэн Г., Гао X.P.A., Либер К.М. Обнаружение биомолекул в частотной области с использованием кремниевых нанопроволочных биосенсоров. Nano Lett. 2010. 10: 3179–3183. DOI: 10,1021 / NL1020975. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 37. Чу С.-Дж., Йе К.-S., Liao C.-K., Tsai L.-C., Huang C.-M., Lin H.-Y., Shyue J.-J., Chen Y.-T., Chen C.- Д. Повышение чувствительности нанопроволоки путем выравнивания электрического поля поверхностных зондирующих молекул. Nano Lett. 2013; 13: 2564–2569. DOI: 10.1021 / nl400645j. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Се П., Сюн К., Фанг Й., Цин К., Либер К.М. Обнаружение локального электрического потенциала ДНК с помощью датчиков Nanowire – Nanopore. Nat. Nanotechnol. 2012; 7: 119–125. DOI: 10.1038 / nnano.2011.217. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 39.Гонг Ж.-Р. Аттомолярное детектирование белков без меток с использованием интегрированных наноэлектронных и электрокинетических устройств. Небольшой. 2010; 6: 967–973. DOI: 10.1002 / smll.200


2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 40. Цзян X., Тянь Б., Сян Дж., Цянь Ф., Чжэн Г., Ван Х., Май Л., Либер К.М. Рациональный рост разветвленных гетероструктур нанопроволоки с синтетически закодированными свойствами и функциями. Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 2011; 108: 12212–12216. DOI: 10.1073 / pnas.1108584108. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 41.Стерн Э., Вацич А., Раджан Н.К., Крисьоне Дж. М., Пак Дж., Илич Б. Р., Муни Д. Дж., Рид М. А., Фахми Т. М. Обнаружение биомаркеров без этикеток из цельной крови. Nat. Nanotechnol. 2010. 5: 138–142. DOI: 10.1038 / nnano.2009.353. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 43. Хеллер И., Конг Дж., Херинг Х.А., Уильямс К.А., Лемей С.Г., Деккер К. Индивидуальные однослойные углеродные нанотрубки как наноэлектроды для электрохимии. Nano Lett. 2005. 5: 137–142. DOI: 10,1021 / NL048200m. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 44.Крапф Д., Куинн Б.М., Ву М.-Й., Зандберген Х.В., Деккер К., Лемей С.Г. Экспериментальное наблюдение нелинейного переноса ионов в нанометровом масштабе. Nano Lett. 2006; 6: 2531–2535. DOI: 10.1021 / NL0619453. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 45. Гудинг Дж. Дж., Чжоу А., Лю Дж., Лошич Д., Шаптер Дж. Г., Хибберт Д. Б. Влияние длины и ориентации однослойных углеродных нанотрубок на электрохимию электродов, модифицированных нанотрубками. Электрохим. Commun. 2007; 9: 1677–1683. DOI: 10.1016 / j.elecom.2007.03.023. [CrossRef] [Google Scholar] 46. Heller I., Janssens A.M., Mannik J., Minot E.D., Lemay S.G., Dekker C. Идентификация механизма биосенсинга с помощью транзисторов из углеродных нанотрубок. Nano Lett. 2008; 8: 591–595. DOI: 10.1021 / NL072996i. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 47. Дэвис Дж. Дж., Коулман К. С., Азамиан Б. Р., Бэгшоу К. Б., Грин М. Л. Х. Химическое и биохимическое зондирование с помощью модифицированных одностенных углеродных нанотрубок. Chem. Евро. J. 2003; 9: 3732–3739. DOI: 10.1002 / chem.200304872. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 48.Гудинг Дж. Дж., Вибово Р., Лю Дж., Ян В., Лосич Д., Орбонс С., Мирнс Ф. Дж., Шаптер Дж. Г., Хибберт Д. Б. Электрохимия белков с использованием выровненных массивов углеродных нанотрубок. Варенье. Chem. Soc. 2003; 125: 9006–9007. DOI: 10.1021 / ja035722f. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 49. Ли Дж., Нг Х. Т., Касселл А., Фан В., Чен Х., Йе К., Коне Дж., Хан Дж., Мейяппан М. Массив наноэлектродов из углеродных нанотрубок для сверхчувствительного обнаружения ДНК. Nano Lett. 2003; 3: 597–602. DOI: 10,1021 / NL0340677. [CrossRef] [Google Scholar] 50.Цанг С.С., Дэвис Дж.Дж., Грин М.Л.Х., Хилл Х.А.О., Леунг Ю.К., Сэдлер П.Дж. Иммобилизация малых белков в углеродных нанотрубках: исследование с помощью просвечивающей электронной микроскопии с высоким разрешением и каталитическая активность. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1995; 17: 1803–1804. DOI: 10,1039 / c39950001803. [CrossRef] [Google Scholar] 51. Дэвис Дж. Дж., Грин M.L.H., Хилл Х.А.О., Леунг Ю.С., Сэдлер П.Дж., Слоан Дж., Ксавьер А.В., Цанг С.С. Иммобилизация белков в углеродных нанотрубках. Неорг. Чим. Acta. 1998. 272: 261–266. DOI: 10.1016 / S0020-1693 (97) 05926-4. [CrossRef] [Google Scholar] 52. Лю Ю., Ван М., Чжао Ф., Сюй З., Донг С. Прямой электронный перенос глюкозооксидазы и глюкозный биосенсор на основе углеродных нанотрубок / хитозановой матрицы. Биосенс. Биоэлектрон. 2005; 21: 984–988. DOI: 10.1016 / j.bios.2005.03.003. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 53. Стар А., Габриэль Ж.-С.П., Брэдли К., Грюнер Г. Электронное обнаружение специфического связывания белков с использованием устройств на основе нанотрубок на полевых транзисторах. Nano Lett. 2003; 3: 459–463. DOI: 10.1021 / NL0340172. [CrossRef] [Google Scholar] 54.Стар А., Ту Э., Ниманн Дж., Габриэль Ж.-К.П., Джойнер К.С., Валке С. Обнаружение гибридизации ДНК без использования меток с использованием полевых транзисторов сети углеродных нанотрубок. Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 2006; 103: 921–926. DOI: 10.1073 / pnas.0504146103. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 55. Чжан Ю., Чжэн Л. К хиральности чистых углеродных нанотрубок. Наноразмер. 2010; 2: 1919–1929. DOI: 10.1039 / c0nr00222d. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 56. Ли З., Лю З., Сунь Х., Гао К. Сверхструктурированная сборка наноуглеродов: фуллерены, нанотрубки и графен.Chem. Ред. 2015; 115: 7046–7117. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.5b00102. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 57. Ли К., Вей Х., Кисар Дж. У., Хоун Дж. Измерение упругих свойств и внутренней прочности однослойного графена. Наука. 2008. 321: 385–388. DOI: 10.1126 / science.1157996. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 58. Чандран Г.Т., Ли Х., Огата А., Пеннер Р.М. Электрически преобразованные датчики на основе наноматериалов (2012–2016 гг.) Anal. Chem. 2017; 89: 249–275. DOI: 10.1021 / acs.analchem.6b04687. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 59.Болотин К.И., Сайкс К.Дж., Цзян З., Клима М., Фуденберг Г., Хоун Дж., Ким П., Стормер Х.Л. Сверхвысокая подвижность электронов в подвешенном графене. Твердотельная Коммунал. 2008. 146: 351–355. DOI: 10.1016 / j.ssc.2008.02.024. [CrossRef] [Google Scholar] 60. Георгакилас В., Перман Дж. А., Тучек Дж., Зборил Р. Широкое семейство углеродных наноаллотропов: классификация, химия и применение фуллеренов, углеродных точек, нанотрубок, графена, наноалмазов и комбинированных сверхструктур. Chem. Ред. 2015; 115: 4744–4822. DOI: 10.1021 / cr500304f. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 61. Чен С., Лю Л., Чжоу Дж., Цзян С. Контроль ориентации антител на заряженных самоорганизующихся монослоях. Ленгмюра. 2003. 19: 2859–2864. DOI: 10.1021 / la026498v. [CrossRef] [Google Scholar] 62. Чжоу В.-К., Ху В.-П., Ян Ю.-С., Чан Х.В.-Х., Чен В.Й. Нейтрализованный химерный ДНК-зонд для улучшения специфичности детектирования GC-богатой РНК на полевом транзисторе с нанопроволочными элементами. Sci. Отчет 2019; 9: 11056. DOI: 10.1038 / s41598-019-47522-9. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 63.Xu S., Zhang C., Jiang S., Hu G., Li X., Zou Y., Liu H., Li J., Li Z., Wang X. и др. Полевой транзистор из графеновой пены для сверхчувствительного обнаружения АТФ без этикеток. Приводы Sens. B Chem. 2019; 284: 125–133. DOI: 10.1016 / j.snb.2018.12.129. [CrossRef] [Google Scholar] 64. Такур Б., Чжоу Г., Чанг Дж., Пу Х., Цзинь Б., Суй Х., Юань Х., Ян Ч.-Х., Магрудер М., Чен Дж. Быстрое обнаружение одиночной кишечной палочки E. coli Бактерии с использованием полевого транзистора на основе графена. Биосенс. Биоэлектрон.2018; 110: 16–22. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.03.014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 65. Рен Р., Чжан Ю., Надаппурам Б.П., Акпинар Б., Кленерман Д., Иванов А.П., Эдель Дж.Б., Корчев Ю. Транзистор с расширенным полевым эффектом с нанопорами для селективного биосенсинга одиночных молекул. Nat. Commun. 2017; 8: 586. DOI: 10.1038 / s41467-017-00549-w. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 66. Шариати М. Полевой транзисторный ДНК-биосенсор на основе нанопроволок ITO для безметочного обнаружения вируса гепатита B, совместимого с CMOS-технологией.Биосенс. Биоэлектрон. 2018; 105: 58–64. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.01.022. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 67. Бхат К.С., Ахмад Р., Ю Дж.-Й., Хан Я.-Б. Гибкий полевой транзисторный биосенсор с сопловой печатью для высокоэффективного определения уровня глюкозы. J. Colloid Interface Sci. 2017; 506: 188–196. DOI: 10.1016 / j.jcis.2017.07.037. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 68. Фатхоллахзаде М., Хоссейни М., Норузи М., Эбрахими А., Фатипур М., Колахдуз М., Хагиги Б. Иммобилизация глюкозооксидазы на ZnO-наностержнях, украшенных полевым транзистором с закрытым электролитом, для обнаружения глюкозы.J. Solid State Electrochem. 2018; 22: 61–67. DOI: 10.1007 / s10008-017-3716-у. [CrossRef] [Google Scholar] 69. Ахмад Р., Ан М.-С., Хан Й.-Б. Полевой транзисторный биосенсор на основе матрицы ZnO Nanorods для обнаружения фосфатов. J. Colloid Interface Sci. 2017; 498: 292–297. DOI: 10.1016 / j.jcis.2017.03.069. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 70. Bao Z., Sun J., Zhao X., Li Z., Cui S., Meng Q., Zhang Y., Wang T., Jiang Y. Нанофабрикация сверху вниз кремниевого полевого транзистора с нанолентой (Si-NR FET ) для обнаружения карциноэмбрионального антигена.Int. J. Nanomed. 2017; 12: 4623–4631. DOI: 10.2147 / IJN.S135985. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 71. Ма С., Ли Х., Ли Й.-К., Чжан А. Прямое определение белков без меток в растворе с высокой ионной силой и плазме человека с использованием ионно-чувствительного полевого транзисторного биосенсора с двумя затворами на основе нанолент. Биосенс. Биоэлектрон. 2018; 117: 276–282. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.05.061. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 72. Ма С., Ли Ю.-К., Чжан А., Ли Х. Обнаружение кордицепса китайского без этикеток с использованием ионно-чувствительного полевого транзисторного биосенсора с двумя затворами на основе нанолент.Приводы Sens. B Chem. 2018; 264: 344–352. DOI: 10.1016 / j.snb.2018.02.148. [CrossRef] [Google Scholar] 73. Нгуен Т.Т.Т., Легаллайс М., Моризо Ф., Казимаджу Т., Муис М., Салем Б., Стамбули Б., Тернон С. О разработке безметочного датчика ДНК с использованием полевых транзисторов кремниевых нанонеток. Ход работы. 2017; 1: 312. DOI: 10.3390 / procedure1040312. [CrossRef] [Google Scholar] 74. Чу Ч.-Х., Сарангадхаран И., Регми А., Чен Ю.-В., Сю Ч.-П., Чанг В.-Х., Ли Г.-Й., Чи Ж.-И., Чен С.-К., Шиш С.-C., Et al. За пределами дебаевской длины в решении с высокой ионной силой: прямое обнаружение белка с помощью полевых транзисторов (FET) в сыворотке крови человека. Sci. Отчет 2017; 7: 5256. DOI: 10.1038 / s41598-017-05426-6. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 75. Chen P.-C., Chen Y.-W., Sarangadharan I., Hsu C.-P., Chen C.-C., Shiesh S.-C., Lee G.-B., Wang Y.- Л. Выбор редакции — биосенсоры на основе полевых транзисторов и портативное устройство для личного здравоохранения. ECS J. Solid State Sci. Technol. 2017; 6: Q71 – Q76.DOI: 10.1149 / 2.0361707jss. [CrossRef] [Google Scholar] 76. Као В.-К., Чен Ю.-В., Чу С.-Х., Чанг В.-Х., Шиш С.-К., Ван Ю.-Л., Ли Г.-Б. Обнаружение C-реактивного белка в интегрированной микрофлюидной системе с использованием полевых транзисторов и аптамеров. Биомикрофлюидика. 2017; 11: 044105. DOI: 10,1063 / 1,4995257. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 77. Sinha A., Tai T.-Y., Lee G.-B., Wang Y.-L. IEEE Micro Electro Mechanical Systems. IEEE; Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: 2018. Интегрированная микрофлюидная система с полевым транзистором для автоматического обнаружения множества сердечно-сосудистых биомаркеров.[Google Scholar] 78. Сток Д., Мунтце Г.М., Фигге С., Эйкхофф М. Ионно-чувствительные полевые транзисторы AlGaN / GaN с монолитно интегрированным мостом Уитстона для компенсации температуры и дрейфа в ферментативных биосенсорах. Приводы Sens. B Chem. 2018; 263: 20–26. DOI: 10.1016 / j.snb.2018.02.068. [CrossRef] [Google Scholar] 79. Jang H.-J., Lee T., Song J., Russell L., Li H., Dailey J., Searson P.C., Katz H.E. Электронное определение кортизола с использованием полимера, встроенного в антитела, соединенного с полевым транзистором.ACS Appl. Матер. Интерфейсы. 2018; 10: 16233–16237. DOI: 10.1021 / acsami.7b18855. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 80. Jeong G., Oh J., Jang J. Изготовление многомерных углеродных нановолокон с примесью азота для высокопроизводительных биосенсоров кортизола. Биосенс. Биоэлектрон. 2019; 131: 30–36. DOI: 10.1016 / j.bios.2019.01.061. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 81. Чен Ю., Рен Р., Пу Х., Чанг Дж., Мао С., Чен Дж. Полевые транзисторные биосенсоры с двумерными нанолистами черного фосфора.Биосенс. Биоэлектрон. 2017; 89: 505–510. DOI: 10.1016 / j.bios.2016.03.059. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 82. Seshadri P., Manoli K., Schneiderhan-Marra N., Anthes U., Wierzchowiec P., Bonrad K., Franco CD, Torsi L. Аналитическое обнаружение низкопикомолярного, безметки, прокальцитонина с контролируемым электролитом органическим полем. Электронный иммуносенсор на основе транзистора с эффектом. Биосенс. Биоэлектрон. 2018; 104: 113–119. DOI: 10.1016 / j.bios.2017.12.041. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 83. Ши В., Ю. Дж., Кац Х.E. Чувствительное и селективное зондирование полевым транзистором пентацен-гуанина диоксида азота и анализируемых паров пара. Приводы Sens. B Chem. 2018; 254: 940–948. DOI: 10.1016 / j.snb.2017.07.198. [CrossRef] [Google Scholar] 84. Чен Ю., Рен Р., Пу Х., Го Х., Чанг Дж., Чжоу Г., Мао С., Крон М., Чен Дж. Полевой транзисторный биосенсор для быстрого обнаружения антигена Эбола. Sci. Отчет 2017; 7: 10974. DOI: 10.1038 / s41598-017-11387-7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 85. Лин Ю.-H., Lin W.-S., Wong J.-C., Hsu W.-C., Peng Y.-S., Chen C.-L. Сборка кондуктометрических датчиков на основе кремниевых нанопроводов снизу вверх для обнаружения аполипопротеина A1, биомаркера рака мочевого пузыря. Microchim. Acta. 2017; 184: 2419–2428. DOI: 10.1007 / s00604-017-2288-у. [CrossRef] [Google Scholar] 86. Преснова Г., Преснов Д., Крупенин В., Григоренко В., Трифонов А., Андреева И., Игнатенко О., Егоров А., Рубцова М. Биосенсор на основе полевого транзистора из кремниевых нанопроволок, функционализированный наночастицами золота для Высокочувствительное определение специфического антигена простаты.Биосенс. Биоэлектрон. 2017; 88: 283–289. DOI: 10.1016 / j.bios.2016.08.054. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 87. Рубцова М., Преснова Г., Преснов Д., Крупенин В., Григоренко В., Егоров А. Биосенсор на основе нанопроволочного полевого транзистора для определения простатоспецифического антигена. Процедуры Technol. 2017; 27: 234–235. DOI: 10.1016 / j.protcy.2017.04.099. [CrossRef] [Google Scholar] 88. Lei Y.-M., Xiao M.-M., Li Y.-T., Xu L., Zhang H., Zhang Z.-Y., Zhang G.-J. Обнаружение биомаркеров, связанных с сердечной недостаточностью, в цельной крови с помощью графенового полевого транзисторного биосенсора.Биосенс. Биоэлектрон. 2017; 91: 1–7. DOI: 10.1016 / j.bios.2016.12.018. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 89. Муниф В.-М., Лу X., Тьюке Т., Вильгельм Дж., Бритц А., Хемпель Ф., Ланче Р., Шварц М., Ло Дж. К. Ю., Грандтил С. и др. Платформа восстановленного биосенсора оксида графена для обнаружения биомаркера NT-ProBNP в его клиническом диапазоне. Биосенс. Биоэлектрон. 2019; 126: 136–142. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.09.102. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 90. Ислам С., Шукла С., Баджпадж В.К., Хан Ю.-К., Хух Ю.С., Кумар А., Гош А., Ганди С. Интеллектуальный наносенсор для обнаружения вируса иммунодефицита человека и связанных с ним сердечно-сосудистых и артритных заболеваний с использованием функционализированных транзисторов на основе графена. Биосенс. Биоэлектрон. 2019; 126: 792–799. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.11.041. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 91. Си К., Ченг С., Хидешима С., Куроива С., Наканиши Т., Осака Т. Мультианалитическое обнаружение биомаркеров рака в сыворотке крови человека с использованием безметочного полевого транзисторного биосенсора. Sens. Mater.2018; 30: 991–999. [Google Scholar] 92. Ислам С., Шукла С., Баджпадж В.К., Хан Я.-К., Хух Ю.С., Гош А., Ганди С. Полевой транзистор на основе графена на основе микрожидкостей для фемтомолярного обнаружения хлорпирифоса. Sci. Отчет 2019; 9: 276. DOI: 10.1038 / s41598-018-36746-w. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 93. Берто М., Векки Э., Байамонте Л., Кондо К., Сенси М., Лауро М. Д., Сола М., Страдис А. Д., Бискарини Ф., Минафра А. и др. Обнаружение растительных вирусов без этикеток с помощью органических транзисторных биосенсоров.Приводы Sens. B Chem. 2019; 281: 150–156. DOI: 10.1016 / j.snb.2018.10.080. [CrossRef] [Google Scholar] 94. Наполи К., Лай С., Джаннетти А., Томбелли С., Балдини Ф., Барбаро М., Бонфиглио А. Электронное обнаружение гибридизации ДНК путем соединения датчиков на основе органических полевых транзисторов и зондов в форме шпильки. Датчики. 2018; 18: 990. DOI: 10.3390 / s18040990. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 95. Гао З., Ся Х., Зауберман Дж., Томайуоло М., Пинг Дж., Чжан К., Дукос П., Е Х., Ван С., Ян Х. и др. Обнаружение суб-фМ ДНК с рециклингом мишеней и амплификацией самосборки на графеновых биосенсорах с полевым эффектом. Nano Lett. 2018; 18: 3509–3515. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b00572. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 96. Мэй Дж., Ли Ю.-Т., Чжан Х., Сяо М.-М., Нин Ю., Чжан З.-Й., Чжан Г.-Дж. Полевой транзисторный биосенсор на основе дисульфида молибдена для сверхчувствительного обнаружения ДНК с использованием морфолино в качестве зонда. Биосенс. Биоэлектрон. 2018; 110: 71–77. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.03.043. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 97. Лю Дж., Чен X., Ван К., Сяо М., Чжун Д., Сунь В., Чжан Г., Чжан З. Сверхчувствительные однослойные датчики ДНК на основе полевого транзистора MoS 2 для скрининга синдрома Дауна. Nano Lett. 2019; 19: 1437–1444. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b03818. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 98. Кампос Р., Борме Дж., Геррейро Дж. Р., Мачадо Дж., Младший, Серкейра М. Ф., Петровых Д. Ю., Алпуим П. Обнаружение гибридизации ДНК без аттомолярных меток с помощью графеновых полевых транзисторов с электролитным затвором.ACS Sens. 2019; 4: 286–293. DOI: 10.1021 / acssensors.8b00344. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 99. Фатин М.Ф., Руслинда А.Р., Гопинатх С.С.Б., Аршад М.К.М. Высокопроизводительный интерактивный анализ расщепленного аптамера и Tat ВИЧ-1 на многослойном полевом транзисторе, модифицированном углеродными нанотрубками. Int. J. Biol. Макромол. 2019; 125: 414–422. DOI: 10.1016 / j.ijbiomac.2018.12.066. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 100. Майд С.М., Салими А., Астинчап Б. Разработка радиочастотного магнетронного напыленного тонкопленочного полевого транзистора оксида никеля P-типа в сочетании с зондом нуклеиновой кислоты для сверхчувствительного обнаружения гена ВИЧ-1 без метки.Приводы Sens. B Chem. 2018; 266: 178–186. DOI: 10.1016 / j.snb.2018.03.111. [CrossRef] [Google Scholar] 101. Сингх Н.К., Тунгон П.Д., Эстрела П., Госвами П. Разработка полевого транзисторного биосенсора на основе аптамера для количественного определения глутаматдегидрогеназы Plasmodium Falciparum в образцах сыворотки. Биосенс. Биоэлектрон. 2019; 123: 30–35. DOI: 10.1016 / j.bios.2018.09.085. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 102. Хао З., Чжу Ю., Ван Х., Ротти П.Г., ДиМарко К., Тайлер С.Р., Чжао Х., Энгельхардт Дж.Ф., Хоун Дж., Лин К. Мониторинг инсулина в реальном времени с использованием графенового полевого транзистора и аптамерного наносенсора. ACS Appl. Матер. Интерфейсы. 2017; 9: 27504–27511. DOI: 10.1021 / acsami.7b07684. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 103. Nakatsuka N., Yang K.-A., Abendroth J.M., Cheung K.M., Xu X., Yang H., Zhao C., Zhu B., Rim Y.S., Yang Y. и др. Аптамерно-полевые транзисторы преодолевают ограничения по длине Дебая для измерения малых молекул. Наука. 2018; 362: 319–324. DOI: 10.1126 / наука.aao6750. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 104. Хидешима С., Вустони С., Кобаяси М., Хаяси Х., Куроива С., Наканиши Т., Осака Т. Влияние сыворотки крови человека на электрическое обнаружение амилоид-β-фибрилл в биологических средах с использованием эффекта поля с иммобилизованным азокрасителем Транзисторный (FET) биосенсор. Sens. Biosens. Res. 2018; 17: 25–29. DOI: 10.1016 / j.sbsr.2018.01.003. [CrossRef] [Google Scholar] 105. Гутьеррес-Санс О., Андой Н.М., Филипьяк М.С., Хаустейн Н., Тарасов А. Прямая, безметочная и быстрая иммунодетекция на основе транзисторов в цельной сыворотке.ACS Sens. 2017; 2: 1278–1286. DOI: 10.1021 / acssensors.7b00187. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 106. Андой Н.М., Филипьяк М.С., Феттель Д., Гутьеррес-Санс О., Тарасов А. Электронный иммуносенсор на основе графена с фемтомолярным пределом обнаружения в цельной сыворотке. Adv. Матер. Technol. 2018; 3: 1800186. DOI: 10.1002 / admt.201800186. [CrossRef] [Google Scholar] 107. Филипьяк М.С., Ротер М., Андой Н.М., Кнудсен А.С., Гримм С., Бахран С., Суи Л.К., Заумсейл Дж., Тарасов А. Высокочувствительное, селективное и безметочное обнаружение белков в физиологических растворах с использованием транзисторов из углеродных нанотрубок с нанотелами Рецепторы.Приводы Sens. B Chem. 2018; 255: 1507–1516. DOI: 10.1016 / j.snb.2017.08.164. [CrossRef] [Google Scholar] 108. Хидешима С., Сайто М., Фудзита К., Харада Ю., Цуна М., Секигучи С., Куроива С., Наканиши Т., Осака Т. Обнаружение аллергенов в продуктах питания без этикеток с помощью усиления сигнала, индуцированного поверхностно-активными веществами. Биосенсор на основе полевого транзистора. Приводы Sens. B Chem. 2018; 254: 1011–1016. DOI: 10.1016 / j.snb.2017.07.187. [CrossRef] [Google Scholar] 109. Гао Н., Чжоу В., Цзян X., Хун Г., Фу Т.-М., Либер К.-М. Общая стратегия биодетекции в решениях с высокой ионной силой с использованием наноэлектронных датчиков на основе транзисторов. Nano Lett. 2015; 15: 2143–2148. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.5b00133. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 110. Хаустейн Н., Гутьеррес-Санс О., Тарасов А. Аналитическая модель для описания влияния полиэтиленгликоля на ионный скрининг зарядов аналита в транзисторных сенсорах Immusisssnosensing. ACS Sens. 2019; 4: 874–882. DOI: 10.1021 / acssensors.8b01515. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar].

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *