生物晶體管2課件

生物晶體管

組長(zhǎng)：徐天帥組員：趙夢(mèng)娜周艷雪劉寶林生物晶體管晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開關(guān)，和一般機(jī)械開關(guān)（如Relay、switch）不同處在于晶體管是利用電訊號(hào)來控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，在實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。

圖1

晶體管主要分為兩大類：雙極性晶體管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。晶體管有三個(gè)極；雙極性晶體管的三個(gè)極，分別由N型跟P型組成發(fā)射極（Emitter）、基極

(Base)和集電極（Collector）;

場(chǎng)效應(yīng)晶體管的三個(gè)極，分別是源極（Source）、柵極（Gate）和漏極（Drain）。晶體管因?yàn)橛腥N極性，所以也有三種的使用方式，分別是發(fā)射極接地（又稱共射放大、CE組態(tài)）、基極接地（又稱共基放大、CB組態(tài)）和集電極接地（又稱共集放大、CC組態(tài)、發(fā)射極隨隅器）。晶體管的基本原理

如右圖3所示,在一個(gè)晶體里面用兩組P型半導(dǎo)體像三明治一樣夾住一個(gè)N型半導(dǎo)體使之結(jié)合形成PNP型,或者是用N型夾住P型半導(dǎo)體的NPN型就是晶體管(亦稱三極管)?？梢哉J(rèn)為,晶體管就是由P+N+P,或者是由N+P+N構(gòu)成的晶體。圖3

下面,我們以PNP結(jié)合的半導(dǎo)體為例,分析一下晶體管的基本工作原理。如圖4所示,將C端(稱為集電極)連接到電池的㈠極,B端(稱為基極)連接到電池的㈩極,此時(shí)就如同給二極管加上反向電壓一樣,形成耗盡層,因此電流不流通。圖4

圖6NPN型晶體管

值得注意的是,不可以認(rèn)為穿過基極區(qū)域的空穴是被集電極端的㈠極所吸引而移動(dòng)過來的.空穴流入基極部分是由于擴(kuò)散這一物理現(xiàn)象所致。所謂擴(kuò)散,如同其字面含義,是一種慢慢散開的物理過程(可用往水里滴入1滴墨水后逐漸染遍全體的現(xiàn)象作比喻，參見下圖7）圖7擴(kuò)散現(xiàn)象

因此,集電極電流與集電極端連接的㈠電壓的大小是無關(guān)的。當(dāng)然從集電極會(huì)有電流流出,此時(shí)其電流的強(qiáng)度IC只比流入發(fā)射極端的電流強(qiáng)度IE稍弱一點(diǎn)。而且,即使改變集電極-基極之間的電壓強(qiáng)度,IC也不發(fā)生變化.要改變IC必須改變IE,IE與IC的變化關(guān)系曲線如圖8所示。晶體管的種類半導(dǎo)體三極管：雙極結(jié)性晶體管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)型晶體管（FET）靜電感應(yīng)晶體管（SIT）電力晶體管（GiantTransistor）光晶體管（Phototransistor）與電子管相比晶體管的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)件沒有消耗：是電子管的100到1000倍消耗電能極少：僅為電子管的十分之一或幾十分之一不需預(yù)熱：一開機(jī)就工作結(jié)實(shí)可靠：耐沖力、耐振動(dòng)成本低

晶體管被認(rèn)為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，在重要性方面可以與印刷術(shù)，汽車和電話等的發(fā)明相提并論。晶體管實(shí)際上是所有現(xiàn)代電器的關(guān)鍵活動(dòng)（active）元件。晶體管在當(dāng)今社會(huì)的重要性主要是因?yàn)榫w管可以使用高度自動(dòng)化的過程進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的能力，因而可以不可思議地達(dá)到極低的單位成本。

圖9遺傳物質(zhì)制造與作用原理在電子設(shè)備中，晶體管控制電子沿著電路流動(dòng)。同樣地，在生物設(shè)備中，轉(zhuǎn)錄器控制特定蛋白――RNA聚合酶沿著DNA鏈的流動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)已利用該轉(zhuǎn)錄器創(chuàng)建出電子工程中熟知的邏輯門。研究人員將這種以轉(zhuǎn)錄器為基礎(chǔ)的邏輯門稱為“布爾聚合酶邏輯”（BIL）門。

所有的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)盡管存在外在差異，但都具有3個(gè)共同的基本功能：信息的存儲(chǔ)、傳輸和邏輯運(yùn)算?；谵D(zhuǎn)錄器的門單獨(dú)并不能構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但它們是可在單個(gè)活細(xì)胞內(nèi)運(yùn)行的生物計(jì)算機(jī)的第三個(gè)、也是最后一個(gè)器件。

為了創(chuàng)建轉(zhuǎn)錄器和邏輯門，研究團(tuán)隊(duì)使用了經(jīng)過仔細(xì)校準(zhǔn)的酶組合，其能控制RNA聚合酶沿著DNA鏈的流動(dòng)。DNA相當(dāng)于電線，RNA聚合酶相當(dāng)于電子。對(duì)6個(gè)基本邏輯門的設(shè)計(jì)和構(gòu)建是基于2種絲氨酸重組酶的活性基礎(chǔ)之上的。每個(gè)邏輯門由3個(gè)基因組成：2個(gè)為編碼輸入的基因，一個(gè)為輸出基因，該基因含有不同的轉(zhuǎn)錄控制元件（啟動(dòng)子，終止子），而這些轉(zhuǎn)錄控制元件在其側(cè)面上具有重組酶識(shí)別位點(diǎn)。

轉(zhuǎn)錄器是對(duì)基因邏輯進(jìn)行放大的關(guān)鍵組成部分。轉(zhuǎn)錄器的創(chuàng)建將允許工程師們?cè)诨罴?xì)胞內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和記錄。當(dāng)細(xì)胞暴露于某些外部刺激或環(huán)境因素，就能按需打開和關(guān)閉。該轉(zhuǎn)錄器獲得了介于生物學(xué)晶體管和半導(dǎo)體晶體管之間的一些類似重要功能：信號(hào)放大。就像晶體管收音機(jī)將無線電波轉(zhuǎn)變成為可聽到的聲音一樣，生物晶體管能夠放大一種酶產(chǎn)生的微小變化。

研究人員希望，這些的晶體管可能最終建成微觀生活計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)將能夠完成的任務(wù)，如判斷存在一定的毒素是在細(xì)胞內(nèi)，看到多少次癌細(xì)胞分裂，或如何準(zhǔn)確地確定藥物相互作用與每個(gè)細(xì)胞。一旦晶體管確定的條件得到滿足，它可以被用來使細(xì)胞，和許多其他細(xì)胞，在它的周圍，做了具體的事情-告訴癌細(xì)胞自我毀滅。“我們將能夠把電腦變成任何你想要的，活的細(xì)胞”首席研究員在斯坦福大學(xué)工程學(xué)院的德魯恩迪解釋圣何塞水星報(bào)。說：“我們不是要取代硅的電腦，我們不打算更換手機(jī)或筆記本電腦，但我們要計(jì)算工作的地方，硅永遠(yuǎn)