神经信号读取用生物敏场效应管的设计与仿真

摘要

场效应晶体管在微电子领域，其结构和制作工艺，都有显著的特点，是集成芯片的基本组成单元。将它应用于生物电生理特性的研究，早在上个世纪六十年代就开始了。本文对神经信号读取场效应管的工艺仿真和器件模型仿真做了初步尝试，完成的主要工作有以下内容：
　　首先，深入研究神经信号读取场效应晶体管工作原理，依据传统场效应管的基本特性，分析了生物敏场效应管的特性，参照离子敏场效应管的结构，建立了“电解质—传感器介质层—金属—器件栅介质—导电沟道”的生物敏场效应晶体管整体器件模型；其次，改进传统场效应晶体管的结构，引入“微井”结构，增强神经元与生物敏场效应管之间连接紧密度，以期实现选择性的激励和测量神经元细胞的电信号；再者，根据所设计的器件的结构，采用CMOS工艺，利用Silvaco来进行整个工艺流程的仿真，在抽取出器件工艺参数后，对所得到的器件进行基本特性的仿真。
　　在本论文中，主要对神经信号读取场效应管的PMOS管以及后端工艺进行了仿真。在PMOS的工艺仿真流程中，借助Silvaco的Athena模块，我们可以提取仿真所得的PMOS的许多参数出来，主要参数包括源/漏极结深，阈值电压，栅氧化层的厚度，源/漏极方块电阻，LDD方块电阻等。利用Silvaco的Utmost模块，我们提取出所建立的MOS的BSIM3模型出来，为后面建立的等效电路中的MOS管提供模型参数，同样也为后续的放大电路的设计提供了技术指标及要求。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 膜片钳技术

1.2.2 微电极阵列(MEAs)

1.2.3 场效应晶体管

1.2.4 标准CMOS技术和细胞外电信号测量的结合

1.2.5 本论文采用的神经信号读取技术依据

1.3 本论文研究的主要内容

2 生物敏场效应管理论基础

2.1 生物敏场效应晶体管的基本工作原理

2.2 生物敏场效应晶体管的分类

2.2.1 酶场效应管

2.2.2 免疫场效应管

2.2.3 组织场效应管

2.2.4 细胞场效应管

2.3 生物敏场效应管器件特性

2.3.1场效应管器件特性

2.3.2生物敏场效应管器件特性

2.4 本章小结

3 神经信号读取场效应管界面结构设计

3.1 神经信号读取场效应管整体器件结构设计

3.2 神经信号读取场效应管的“微井”界面结构设计

3.2.1 “微井”结构

3.2.2 “微井”的制备

3.3 软刻技术构建图案化神经元网络

3.4 本章小结

4 神经信号读取场效应管的TCAD模拟仿真

4.1 Sentaurus TCAD软件介绍

4.2 半导体器件模拟的基本方程

4.3 工艺流程及仿真

4.3.1 PMOSFET的工艺流程的设计

4.3.2 后端工艺的工艺流程的设计

4.3.3 整体器件特性参数与曲线

4.4 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献