场效应晶体管生物传感器的设计与优化

摘要

场效应晶体管作为微电子领域集成芯片的基本组成单元，具有制作工艺成熟，构造简单等特点。将它应用于生物分子探测的研究，早在上个世纪六十年代就开始了。由于它便于批量生产，成本低廉，工业界也对它抱有极大的兴趣。另外，场效应晶体管的输出阻抗低，与检测电路的连接线不用屏蔽，不受外来电场的干扰，可以简化测试电路。更重要地，场效应晶体管可在同一硅片上集成多种传感器，对样品中不同成份同时进行测量分析。本文在国家自然科学基金的资助下，对场效应晶体管生物传感器的理论模型和性能参数做了系统性的分析研究，并对生物识别部分的制备做了初步尝试，完成的主要工作有以下几点： (1)基于固体物理理论和静电场理论，深入研究场效应晶体管工作原理，特别是其处于亚阈工作状态时的电荷分布，电容成份及能带结构。并在此基础上建立了场效应晶体管生物传感器的理论模型，着重分析了器件灵敏度与工作状态、结构参数的关系； (2)对传统场效应晶体管的结构进行改进，引入控制和参比机制，以提高场效应晶体管的稳定性和选择性。利用有限元分析法，分析新结构中控制机制和探测信息对其工作状态和电学特性的影响； (3)制备生物传感器中生物分子识别膜——固定生物分子探针到探测芯片表面。分别尝试用物理吸附法和共价键固定法固定生物分子，并且用荧光扫描仪、原子力显微镜等多种方法，检测生物分子固定质量。最后进行了单链DNA分子杂交实验，用显色反应检测杂交质量。