基于电子-空穴双层的混合隧穿机制TFET生物传感器实现高关态电流及开关电流比灵敏度

为解决传统生物传感器灵敏度不足、功耗高及集成度低等问题，研究人员设计了一种基于电子-空穴双层隧穿场效应晶体管（HGNW-EHBTFET）的垂直生物传感器。该传感器利用关态点隧穿电流（PT）检测生物分子，使关态电流灵敏度（SIoff）不受栅压影响，同时通过开态线隧穿（LT）机制实现低偏压下的高开关电流比灵敏度（SIon/Ioff）。数值计算表明，该器件在0.5 V下SIoff达～1013，SIon/Ioff达～1012，为低功耗生物传感领域提供了突破性解决方案。

　　

在生物医学检测、环境监测等领域，传统生物传感器如酶电极和光学传感器长期面临灵敏度低、响应速度慢及操作复杂等瓶颈。尽管金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）基生物传感器能通过电荷调控通道电导实现检测，但其对中性生物分子识别能力差，且存在高静态功耗和短沟道效应等问题。隧穿场效应晶体管（TFET）基生物传感器因低关态电流（I_off）、低亚阈值摆幅等优势成为研究热点，但现有器件多依赖点隧穿（PT）机制，导致开态电流（I_on）不足，且灵敏度受栅压（V_gs）制约。

针对上述挑战，兰州大学的研究团队提出了一种基于异质左栅极与N⁺-pocket的电子-空穴双层TFET（HGNW-EHBTFET）生物传感器。该器件通过混合隧穿机制实现性能突破：关态电流由漏极与空穴层间的PT产生，而开态电流源于电子-空穴双层的线隧穿（LT）。这种设计使生物分子检测与开态电流解耦，显著提升了关态电流灵敏度（S_Ioff）和开关电流比灵敏度（S_Ion/Ioff）。研究还发现，垂直生物腔结构不仅提升了集成密度，更便于生物分子填充。相关成果发表于《Micro and Nanostructures》。

研究采用数值计算方法，通过调控生物腔宽度（4 nm为最优值）、生物分子介电常数（k）及电荷密度（N_bio）等参数评估性能。关键技术包括：1）基于电荷等离子体概念的电子-空穴双层诱导；2）混合隧穿机制建模；3）生物分子介电特性与电荷状态的量化模拟。

结果与讨论

1. 中性生物分子检测：S_Ioff和S_Ion/Ioff均与k呈正相关，当k=22时分别达～10¹²。
2. 带电生物分子响应：负电荷生物分子随N_bio增加显著提升灵敏度，而正电荷分子则相反。
3. 结构优化：生物探针高填充率且集中于生物腔右侧时，传感器对高k生物分子的检测能力最优。

结论
该研究通过混合隧穿机制和垂直集成设计，实现了S_Ioff（～10¹³）和S_Ion/Ioff（～10¹²）的数量级突破，尤其在低偏压（0.5 V）下表现卓越。这不仅解决了传统生物传感器的核心痛点，还为便携式低功耗检测设备的发展提供了理论支撑。作者Hu Liu等人强调，生物分子填充率对高k分子检测的影响为后续工艺优化指明了方向。