ＩＳＦＥＴ

イオン感応電界効果トランジスタ（ISFET）は、溶液中のイオン濃度を測定するために使用される電界効果トランジスタです。イオン濃度（ H ⁺など、pHスケールを参照）が変化すると、トランジスタを流れる電流もそれに応じて変化します。ここでは、溶液がゲート電極として使用されます。基板と酸化物表面の間には、イオンシースにより電圧が発生します。これはMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）の特殊なタイプであり、^[1]同じ基本構造を共有していますが、金属ゲートがイオン感応膜、電解質溶液、および参照電極に置き換えられています。^[2] 1970年に発明されたISFETは、最初のバイオセンサーFET（バイオFET）でした。

ゲート材料の Si-OH 基の表面加水分解は、水溶液中の pH 値によって異なります。代表的なゲート材料は、SiO ₂、Si ₃ N ₄、Al ₂ O ₃、Ta ₂ O ₅です。

酸化物表面の電荷の原因となるメカニズムは、Si-OH表面サイトと溶液中のH ^{+イオン間の平衡を説明する}サイト結合モデルによって説明できます。SiO ₂などの酸化物表面をコーティングするヒドロキシル基は、プロトンを供与または受容することができ、酸化物-電解質界面で発生する次の酸塩基反応で示されるように両性的に動作します。

-Si-OH + H ₂ O ↔ -Si-O ⁻     + H ₃ O ⁺

-Si-OH + H ₃ O ⁺   ↔ -Si-OH ₂ ⁺ + H ₂ O

ISFET のソースとドレインは、 MOSFETと同様に構築されています。ゲート電極は、水素イオンに敏感なバリアと、試験対象物質が敏感なバリアと接触できるようにするギャップによってチャネルから分離されています。ISFET のしきい値電圧は、イオン敏感バリアと接触する物質の pH に依存します。

^{H +}濃度に敏感な ISFET 電極は、溶液のpHを測定する従来のガラス電極として使用できます。ただし、動作には参照電極も必要です。溶液と接触する参照電極が従来のAgClまたはHg ₂ Cl ₂タイプの場合、従来の pH 電極と同じ制限 (接合電位、KClリーク、ゲル電極の場合はグリセロールリーク) が発生します。従来の参照電極はかさばり、壊れやすいこともあります。従来の参照電極によって制限される容積が大きすぎると、一部の生物学的分析または生体内臨床分析 (使い捨てのミニカテーテル pH プローブ) に必須の機能である ISFET 電極の小型化もできなくなります。従来の参照電極が故障すると、製薬業界または食品業界でのオンライン測定でも問題が発生する可能性があります。これは、非常に価値のある製品が製造の最終段階で電極の破片や有毒な化合物に汚染され、安全のために廃棄しなければならない場合です。

このため、20 年以上にわたって、オンチップに組み込まれた小型の基準電界効果トランジスタ (REFET) に関する研究が盛んに行われてきました。これらのトランジスタの機能原理、つまり動作モードは、電極メーカーによって異なり、多くの場合、独自仕様で特許で保護されています。REFET に必要な半導体改質表面は、テスト溶液と常に熱力学的に平衡状態にあるとは限らず、攻撃的または妨害的な溶解種や、十分に特徴付けられていない老化現象に敏感になることがあります。電極が定期的に頻繁に再較正され、耐用期間中に簡単にメンテナンスできる場合、これは実際の問題ではありません。ただし、電極を長期間オンラインで浸漬しておく必要がある場合、または測定自体の性質に関連する特定の制約 (過酷な環境での高圧水下での地球化学測定、または大気中の酸素の侵入や圧力変化によって容易に乱される無酸素または還元条件下での地球化学測定) のためにアクセスできない場合は、これが問題になることがあります。

従来のガラス電極と同様に、ISFET 電極にとって重要な要素は参照電極です。電極の不具合をトラブルシューティングする場合、多くの場合、問題のほとんどは参照電極側から探す必要があります。

ISFETベースのセンサーの場合、低周波ノイズは、同じ周波数領域にまたがる生体信号に干渉する可能性があるため、全体的なSNRに最も悪影響を及ぼします。^[3]ノイズには主に3つの発生源があります。ISFET自体の外部のノイズ源は、環境干渉や端末読み出し回路からの機器ノイズなど、外部ノイズと呼ばれます。固有ノイズは、ISFETの固体部分に現れるノイズを指し、主に酸化物/Si界面でのキャリアのトラッピングとデトラッピングによって発生します。また、外在ノイズは、一般に液体/酸化物界面でのイオン交換によって発生する液体/酸化物界面に起因します。ISFETのノイズを抑制するために、多くの方法が発明されています。たとえば、外部ノイズを抑制するために、バイポーラ接合トランジスタをISFETに統合して、ドレイン電流の内部増幅を即座に実現することができます。^[4]また、固有ノイズを抑制するために、ノイズの多い酸化物/Si界面をショットキー接合ゲートに置き換えることができます。^[5]

ISFETのドリフトとは、閾値電圧の不安定性を指します。pH-ISFETの固有応答が完了すると、ISFETの出力電圧は依然として時間とともに徐々に単調に変化し、このドリフト動作は測定プロセス全体にわたって存在します。これは、商業的に実現可能なISFETベースのバイオメディカルセンサーの開発における重大な障害の1つでした。特に、血液pHの連続モニタリングに求められる高い精度は、pH ISFETの許容ドリフト率に厳しい要件を課します。^[6]

ドリフトの原因として提案されているものには、ゲート絶縁体内の電界によるイオン移動の促進、絶縁体溶液界面における電気化学的非平衡状態、強い陽極分極時の電解質からの電子の注入、絶縁体フィルム内部の負の空間電荷の生成、および表面効果の遅さなどがある。^[7]

ISFETの基礎はMOSFETである。トゥエンテ大学のオランダ人エンジニア、ピエト・ベルグフェルトはMOSFETを研究し、電気化学および生物学用途のセンサーに応用できることに気付いた。 ^{[8] [1]}これが1970年のベルグフェルトのISFETの発明につながった。^{[9] [8]}彼はISFETを「ゲートが一定の距離にある特殊なタイプのMOSFET」と表現した。^[1]これは最も初期のバイオセンサーFET（バイオFET）であった。^[10]

ISFETセンサーは、 CMOS（相補型MOS）技術に基づく集積回路に実装できます。ISFETデバイスは、 DNAハイブリダイゼーションの検出、血液からのバイオマーカーの検出、抗体の検出、グルコース測定、pHセンシングなどのバイオメディカルアプリケーションで広く使用されています。^{[2] ISFETは、}遺伝子技術で使用されるDNA電界効果トランジスタ（DNAFET）^{[2] [9]}などの後のバイオFETの基礎でもあります。^[2]

• 化学電界効果トランジスタ
• イオン選択電極
• MISFET : 金属-絶縁体-半導体電界効果トランジスタ
• MOSFET : 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ
• pH
• pHメーター
• 電位測定
• キンヒドロン電極
• 飽和カロメル電極
• 塩化銀電極
• 標準水素電極

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