Задача по биотехнологии

gala1265


есть подложка из оксида кремния (50 нм на ней тонкий слой кремния n-типа (10 нм к которой приложено напряжение 100 Вольт. над слоем кремния раствор раствор дистиллированной воды с АФП (альфафетопротеин) - это белок. в раствор опущен заземленный электрод. Как будет влиять белок на поле, запирать или не запирать?(улучшать проводимость или ухудшать)
числа особо не важны, главное учесть все диэлектрические проницаемости сред, чтобы использовать для дальнейших исследований, где в воде могут присутствовать, например, соли.

demiurg

Если у него есть при pH=7 заряд (что скорее всего то будет давать дополнительную проводимость за счёт этого. Впрочем, если потом там и соль будет, то соль, конечно больше эффект даст

ploder

в исходных условиях - раствор АФП в дистиллированной воде. значит влияние белка надо учитывать, конечно.
гугление в течении трех минут не позволило мне найти изоэлектрической точки АФП, но вот по этим ссылкам
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elps.1150191039/a...
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9679743
наверняка они есть.
я подозреваю, что изоэлектрическая точка АФП лежит примерно в районе 5,0. это значит, что в дистиллированной воде белок будет заряжен отрицательно. но у него несколько изоформ с разными pI, соответственно, нужно учитывать гетерогенность состава используемого белка - заряды у разных изоформ будут немного отличаться.
кроме того, чтоб правильно оценить проводимость, нужно учитывать и тот факт, что глобулы белка ни в коем случае нельзя рассматривать как точечные заряды - у них есть эффективный объем, который даже не равен объему белковой глобулы и который нужно определять (ну или найти в статьях, наверное). отсюда возникает плотность заряда, которую и надо учитывать.
к сожалению, в расчетах диэлектрической проницаемости как таковой я не сильна, поэтому далее помочь ничем не могу )

ploder

ну и да, когда вы добавляете соль более-менее ощутимой концентрации, влиянием белка на проводимость можно пренебрегать.
конечно, это можно делать, когда концентрация соли хотя бы равна концентрации белка.

asw1974

использовать для дальнейших исследований, где в воде могут присутствовать, например, соли.
Как было сказано выше изменение проводимости кремния при изменении pH и Ионной силы раствора значительно выше изменения проводимости за счет белка.
Теоретически, для n-полупроводника отрицательно заряженные молекулы на поверхности должны увеличивать проводимость.

demiurg

роме того, чтоб правильно оценить проводимость, нужно учитывать и тот факт, что глобулы белка ни в коем случае нельзя рассматривать как точечные заряды - у них есть эффективный объем, который даже не равен объему белковой глобулы и который нужно определять (ну или найти в статьях, наверное). отсюда возникает плотность заряда, которую и надо учитывать.
Не, плотность заряда не отсюда. Размер глобулы будет влиять на мобильность/коэффициент трения. Впрочем, практически для всех белков почти во всемх подобных вопросах можно взять 2-3нм за радиус и не париться.

ploder

имхо на подвижность все же будет влиять. но физикам виднее )

gala1265

спасибо большое, про изоэлектрическую точку я и не задумывалась.
по тому, что я нашла в интернете, то что у белков изоэлектрическая точка обычно от 4.5 до 6. то есть при pH=7, наш белок в любом случае будет заряжен отрицательно. а будет ли влиять поляризация молекул воды во внешнем электрическом поле, если белок заряжен отрицательно? или она будет незначительной, и ей можно пренебречь.
насколько я понимаю, если бы белок был нейтральным, то больший вклад в поляризацию раствора раствора будут вносить молекулы воды.

gala1265

а какие заряды будут индуцироваться на кремнии в данной задаче?
насколько я понимаю, при включении внешнего электрического поля диэлектрик будет поляризоваться.
но еще зачем включено дополнительное поле к слою кремния?
то есть либо, если не учитывать доп поле кремния, то это будет некая модель-конденсатор.
а если учитывать доп поле кремния, то это будет что-то вроде МОП-транзистора. так? но я так и не поняла его работу.
еще много читала про КНИ (кремний на изоляторе) подложки. тут получается некая упрощенная модель этой подложки

ploder

а будет ли влиять поляризация молекул воды во внешнем электрическом поле, если белок заряжен отрицательно? или она будет незначительной, и ей можно пренебречь.
я думаю, это зависит от концентрации белка. если использовать очень низкие концентрации, то поляризацию воды, конечно, нужно учитывать. при высоких конц-ях белка - можно пренебречь. более конкретно, в цифрах, сказать затрудняюсь

gala1265

товарищи физики!
какие все-таки заряды буду индуцироваться на подложке?
на мой взгляд.
во внешнем электрическом поле будет поляризоваться диэлектрик, соответственно в поверхностном слове диэлектрика, то что ближе к полупроводнику, диполи повернуться плюсами к полупроводнику, полупроводник на поверхности, ближайшей к диэлектрику сконцентрирует электроны (минусы соответственно, на другой поверхности полупроводника образуется слой обедненный электронами и там будут дырки (плюсы). Молекулы нашего белка, так как они отрицательно заряжены, осядут "на дне". будут поляризоваться и молекулы воды, плюсами к белку. правильно? или может я не права?

gala1265

но к чему тогда приложено доп эл поле к слою кремния, если брать вышеописанную модель, я не понимаю.

demiurg

К чему приложено поле — это из условия задачи же. Там в стенках два электрода. Какого они размера? Типа точечные и с водой не в контакте?

gala1265

к чему, в плане зачем оно там? я не совсем понимаю, в задаче про это не сказано ни слова, там сказано про напряжение которое приложено снизу - 100 Вольт, и про электрод, который опущен в воду, он заземлен, но на рисунке к пластинке кремния еще приложено поле, показанное плюсом с одной стороны, и минусом с другой, я не не совсем понимаю, какой вклад будет вносить это поле.

demiurg

А почему про это поле ничего не сказано?

gala1265

без понятия, препод нарисовал это и все.
если учитывать это поле, мне кажется, что это будет моп трпнзистор, и когда давал эту задачу сказал почитать про КНИ подложки. кремний на изоляторе

asw1974

Почитай в нагрузку про ISFET в англоязычной википедии.
Особенно pdf-ссылку.
Если твой препод сам не проводил такого эксперимента, думаю, он ждет ответа, проводимость увеличится от отрицательно заряженных молекул. Иначе, хочу с ним познакомиться.

Sensor4ik

препод нарисовал это и все.
В таком случае надо исходить из простейших рассуждений.
Мы имеем типичный полевой транзистор. Верхний слой кремния образует полупроводниковый канал, 100 В - напряжение на затворе, роль которого играет нижний слой кремния, который подразумевается под слоем SiO2 (как обычно в КНИ). Это поле задает проводимость канала. Плюсик и минусик - это разность потенциалов сток-исток, прикладываемая к полупроводниковому каналу, чтобы через него тек ток.
Далее нам необходимо знать некоторые дополнительные исходные данные.
1) Кремний n-типа, но 100 В - это более чем достаточно, чтобы через тонкий слой диэлектрика задавать знак носителей заряда в канале, несмотря ни на какое допирование. Полярность приложения напряжения на затвор (нижний слой кремния) нам не известна, поэтому в канале может реализовываться как электронная проводимость, так и дырочная. С этой оговоркой будем считать, что в верхнем полупроводнике реализуется канал электронной проводимости.
2) Как уже упоминалось, нам нужно также значение изоэлектрической точки белка. Для того, чтобы оценить знак заряда белковой глобулы при данном pH. Оценочно это значение есть в этой статье, она в открытом доступе. В ней говорится про две изоформы человеческого АФП с pI = 4.85 и 5.2
То есть при pH > 5.2 молекулы белка будут заряжены отрицательно, ниже 4.85 - положительно. Какой pH раствора у тебя в условии - не знаю. Возможно, препод хотел от тебя рассуждений про изоэлектрическую точку, pH, pI и влияние заряда белковой глобулы.
Теперь рассуждения:
Адсорбированные на поверхности молекулы белка (как они там адсорбируются, нам не важно, по условию задачи они туда как-то садятся) своим зарядом создают дополнительное поле, влияющее на носители заряда в верхнем проводнике. Сила тока, текущего по каналу между нарисованным тобой плюсиком и мунусиком, будет зависеть от знака этого поля.
Если белковая глобула заряжена положительно, то это будет увеличивать глубину потенциальной ямы для носителей заряда - электронов и, таким образом, увеличивать ток, текущий через канал. В случае отрицательно заряженного белка - все наоборот, и ток уменьшится.
А теперь еще одна оговорка, про которую все всегда забывают. В приповерхностном слое раствора, примыкающем к поверхности провода, всегда есть двойной электрический слой (ДЭС сформированный ионами электролита, присутствующего в растворе. Можно, конечно, проводить измерения и в чистой воде, но это крайне не понравится белку.
Двойной электрический слой полностью экранирует канал от влияния зарядов, находящихся на больших расстояниях в растворе. Расстояние, на котором канал перестает чувствовать заряды, зависит от толщины ДЭС, которая зависит от концентрации соли. Порядок толщин ДЭС для водных растворов - нанометры. Таким образом, если белок будет в достаточно концентрированном буферном растворе, например PBS (10 мМ фосфата и 140 мМ хлорида то мы вообще ничего не увидим даже при посадке белка на саму поверхность - плотный, тонкий ДЭС экранирует все заряды.
P.S. Все это - теория для препода, то есть для учебного процесса. На практике все оказывается еще более запутанным и сложным.

gala1265

спасибо большое за ответ.
"Полярность приложения напряжения на затвор (нижний слой кремния) нам не известна, поэтому в канале может реализовываться как электронная проводимость, так и дырочная."
не совсем поняла эту фразу, не могли бы вы ее разъяснить более подробно. ведь у нас же есть напряжение на затворе, равное 100 В. разве оно не считается положительным, и в раствор опущен заземленый электрод. то есть полярность от плюса к минусу.
насколько я поняла, в полевом транзисторе получается два перпендикулярно-направленных поля. первое создает затвор - заземленный электрод, а второе - наши плюс и минус на верхнем слое кремния.то есть в вернем слое кремния будет сразу два поля. так как же тогда будут двигать там электроны? все зависит от величин силы тока? какая больше?
pH там равен 7.0, пока берем, что белок в дистиллированной воде, пусть он там и не очень хорошо себя чувствует, соответственно образование дэс не берем. так? ведь дэс образуется при присутствии, например, солей.

ploder

строго говоря, рН дистиллированной воды меньше 7. ну это просто замечание

karim

в "обычных условиях"

ploder

угу

Sensor4ik

спасибо большое за ответ."Полярность приложения напряжения на затвор (нижний слой кремния) нам не известна, поэтому в канале может реализовываться как электронная проводимость, так и дырочная."не совсем поняла эту фразу, не могли бы вы ее разъяснить более подробно. ведь у нас же есть напряжение на затворе, равное 100 В. разве оно не считается положительным, и в раствор опущен заземленый электрод. то есть полярность от плюса к минусу.
Ок, если это считается по умолчанию +100В, тогда поле затвора действительно создает в верхнем полупроводниковом канале избыточное количество отрицательных носителей заряда, тип проводимости канала будет электронным.
насколько я поняла, в полевом транзисторе получается два перпендикулярно-направленных поля. первое создает затвор - заземленный электрод, а второе - наши плюс и минус на верхнем слое кремния.то есть в вернем слое кремния будет сразу два поля. так как же тогда будут двигать там электроны? все зависит от величин силы тока? какая больше?
Поле на затворе лишь создает потенциальную яму для носителей зарядов в полупроводниковом канале, то есть концентрацию и знак носителей заряда. Дополнительная разность потенциалов на концах этого канала (плюс и минус) вызывает движение этих зарядов вдоль канала, то есть электрический ток.
pH там равен 7.0, пока берем, что белок в дистиллированной воде, пусть он там и не очень хорошо себя чувствует, соответственно образование дэс не берем. так? ведь дэс образуется при присутствии, например, солей.
Так. В абсолютно чистой деионизованной воде чисто теоретически образование ДЭС можно в расчет не брать.

terl

поле затвора действительно создает в верхнем полупроводниковом канале избыточное количество отрицательных носителей заряда
поле затвора вызовет избыточную концентрацию свободных электронов на границе SiO2 — n-область, и создаст канал p-типа на границе n-область — вода.

If the MOSFET is a p-channel or pMOS FET, then the source and drain are 'p+' regions and the body is a 'n' region. When a negative gate-source voltage (positive source-gate) is applied, it creates a p-channel at the surface of the n region
Только это не полевой транзистор, ибо там нет стока и истока и проводимость (электронная) там будет всегда. Не очень понятно, почему это должно как-то управляться напряжением при отсутствии гетеропереходов.

asw1974

Только это не полевой транзистор, ибо там нет стока и истока и проводимость (электронная) там будет всегда. Не очень понятно, почему это должно как-то управляться напряжением при отсутствии гетеропереходов.
Полный бред.
0. Это полевой транзистор.
1. Там есть сток (отмечен знаком -) и исток (отмечен знаком +).
2. При чем здесь гетеропереходы? Написано же кремний и кремний на изоляторе (SOI).

terl

Там есть сток (отмечен знаком -) и исток (отмечен знаком +).
сток и исток в полевом транзисторе с телом n-типа - это области p-типа. На рисунке они отсутствуют.

terl

При чем здесь гетеропереходы? Написано же кремний и кремний на изоляторе (SOI).
а что, можно эффективно управлять проводимостью однородного слоя полупроводника прикладывая к нему напряжение?

terl

и что это за куча абстрактов?
зы
я говорю о том, что если взять кусок допированного полупроводника скажем n-типа, то независимо от электростатического поля в котором он находится, суммарное количество носителей заряда в образце будет постоянно. Соответственно его проводимость меняться не будет. В то же время, локально там будут образовываться области с инверсной проводимостью (канал p-типа). И да, на этом принципе работают полевые транзисторы с изолированным затвором. Но там должны быть еще области р-типа, которые собственно и соединит образовавшийся канал p-типа и откроет транзистор. А просто кусок допированного полупроводника - это плохой неуправляемый проводник с малым током насыщения.

Sensor4ik

если взять кусок допированного полупроводника скажем n-типа, то независимо от электростатического поля в котором он находится, суммарное количество носителей заряда в образце будет постоянно.
Теперь включи его в цепь и представь, что в образованную полем потенциальную яму из внешних проводников пришли носители заряда. И чем глубже потенциальная яма, тем больше будет носителей в полупроводнике. Добавим разность потенциалов в цепи, потечет ток. Величина этого тока будет зависеть от количества носителей заряда.

terl

в образованную полем потенциальную яму из внешних проводников пришли носители заряда
управляющим полем, которое перпендикулярно линиям тока? Оно не изменит средний потенциал образца относительно электродов.

Sensor4ik

:facepalm:
Вот скажи мне, почему возникновение индуцированного заряда на второй обкладке конденсатора под действием поля первой обкладки тебя не смущает, а возникновение избыточного количества носителей заряда в полупроводнике под действием поля вызывает столько вопросов?

terl

потому, что в конденсаторе заряды движутся вдоль вектора напряженности электрического поля, а у тебя - перпендикулярно вектору напряженности управляющего поля.

terl

собственно так работает кмоп транзистор

Как можно видеть, весь прикол именно в пространственной организации областей с проводимостью разного типа.

Sensor4ik

Так, может быть я чего-то недопонимаю в твоих постах, поэтому давай разбираться.
Забьем пока на движение зарядов и рассмотрим стационарные состояния, возникающие после проведения определенных действий.
Система первая:
К заземленной обкладке конденсатора (пусть это будет плоскость) ты подносишь вторую обкладку (тоже плоскость положительно заряженную. Какое стационарное состояние установится?
Система вторая:
Ты подносишь положительно заряженную плоскость к заземленной тоненькой (10 нм) кремниевой ниточке. Заряженная плоскость и ниточка параллельны. Какое стационарное состояние установится в этом случае?

terl

К заземленной обкладке конденсатора (пусть это будет плоскость) ты подносишь вторую обкладку (тоже плоскость положительно заряженную. Какое стационарное состояние установится?
На заземленной обкладке наведется отрицательный заряд.
Ты подносишь положительно заряженную плоскость к заземленной тоненькой (10 нм) кремниевой ниточке. Заряженная плоскость и ниточка параллельны. Какое стационарное состояние установится в этом случае?
На ней тоже наведется отрицательный заряд, и поскольку это одномерная система, видимо, количество зарядов в ней и проводимость возрастут. Уговорил : ) НО это одномерная система и там вообще треш и угар творится. Мы же обсуждаем объемную структуру, а в ней ситуация такая:

И главное, что носителей там сколько было, столько и осталось (если конечно внешнее поле не привело к генерации электронно-дырочных пар).
На твой аргумент про уменьшение потенциала образца относительно электродов я замечу, что эта разность потенциалов вычтется из электродвижущей силы и будет уменьшать кажущуюся проводимость, компенсируя эффект увеличения свободных носителей в проводнике.
Ну и наконец, если гетеропереходы не нужны, почему бы тогда не упростить конструкцию транзисторов? ; )

Sensor4ik

Мы же обсуждаем объемную структуру
А-а-а! Я-то имел в виду кремниевый нанопровод вверху. И препод, скорее всего, тоже. Или, по крайней мере, двумерный слой полупроводника, но к нему непонятно в каких точках подводить разность потенциалов. А в случае объемного полупроводника действительно получится лажа.
Ну и наконец, если гетеропереходы не нужны, почему бы тогда не упростить конструкцию транзисторов? ; )
Почитай приведенную мной ссылку на Гугл. Умные люди пишут, что использование одномерных полупроводниковых каналов, управляемых затвором снизу или лучше вокруг канала (Gate-all-around, GAA это, вроде как, крутая штука и вообще будущее электроники.

terl

ок )
Оставить комментарий
Имя или ник:
Комментарий: