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1、生物晶体管,组长：徐天帅组员：赵梦娜 周艳雪 刘宝林,生物晶体管,晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。,图1,严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。,图2,晶体管主要分为两大类：双极性
2、晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。晶体管有三个极；双极性晶体管的三个极，分别由N型跟P型组成发射极（Emitter）、基极(Base)和集电极（Collector）;场效应晶体管的三个极，分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）。晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称共射放大、CE组态）、基极接地（又称共基放大、CB组态）和集电极接地（又称共集放大、CC组态、发射极随隅器）。,晶体管的基本原理,如右图3所示,在一个晶体里面用两组P型半导体像三明治一样夹住一个N型半导体使之结合形成PNP型,或者是用N型夹住P型半导体的NPN型就是晶体
3、管(亦称三极管)。可以认为,晶体管就是由P+N+P,或者是由N+P+N构成的晶体。,图3,下面,我们以PNP结合的半导体为例,分析一下晶体管的基本工作原理。如图4所示,将C端(称为集电极)连接到电池的极,B端(称为基极)连接到电池的极,此时就如同给二极管加上反向电压一样,形成耗尽层,因此电流不流通。,图4,在此状态下如图5所示,再准备一个电池,将其极连接到E端(称为发射极),将极连接到基极,此时E-B之间(可认为是二极管)外加了正向电压,则与发射极相连的P型半导体中的空穴移动到N型区域的基极一侧。同时,与基极相连的N型半导体中的电子则移动到P型区域的发射极一侧,即基极一发射极之间有电流流通。,
4、图5,图6 NPN型晶体管,值得注意的是,不可以认为穿过基极区域的空穴是被集电极端的极所吸引而移动过来的.空穴流入基极部分是由于扩散这一物理现象所致。所谓扩散,如同其字面含义,是一种慢慢散开的物理过程(可用往水里滴入1滴墨水后逐渐染遍全体的现象作比喻，参见下图7）,图7 扩散现象,因此,集电极电流与集电极端连接的电压的大小是无关的。当然从集电极会有电流流出,此时其电流的强度IC只比流入发射极端的电流强度IE稍弱一点。而且,即使改变集电极-基极之间的电压强度,IC也不发生变化.要改变IC必须改变IE,IE与IC的变化关系曲线如图8所示。,晶体管的种类,半导体三极管：双极结性晶体管（BJT）和场效
5、应型晶体管（FET）静电感应晶体管（SIT）电力晶体管（Giant Transistor）光晶体管（Phototransistor）,与电子管相比晶体管的优点,构件没有消耗：是电子管的100到1000倍消耗电能极少：仅为电子管的十分之一或几十分之一不需预热：一开机就工作结实可靠：耐冲力、耐振动成本低,晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和电话等的发明相提并论。晶体管实际上是所有现代电器的关键活动（active）元件。晶体管在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力，因而可以不可思议地达到极低的单位成本。,生物晶体管-器件的
6、新时代,美国斯坦福大学的生物工程团队设计出一种基因器件，可在个体活细胞中像晶体管一样起作用，从而将计算从机械和电子带入到生物学活细胞领域。研究团队在3月28号出版的科学杂志上详细描述了这种由遗传物质DNA和RNA制成的生物晶体管，并称之为“转录器”。,图9 遗传物质,制造与作用原理,在电子设备中，晶体管控制电子沿着电路流动。同样地，在生物设备中，转录器控制特定蛋白RNA聚合酶沿着DNA链的流动。研究团队已利用该转录器创建出电子工程中熟知的逻辑门。研究人员将这种以转录器为基础的逻辑门称为“布尔聚合酶逻辑”（BIL）门。,所有的现代计算机尽管存在外在差异，但都具有3个共同的基本功能：信息的存储、传
7、输和逻辑运算。基于转录器的门单独并不能构成一台计算机，但它们是可在单个活细胞内运行的生物计算机的第三个、也是最后一个器件。,在生物环境中，逻辑的可能性像在电子学中一样是无限的。研究人员可测试一个给定细胞是否接触到任何数量的外部刺激，如葡萄糖和咖啡因的存在。BIL门将决定是否将这些信息进行存储，如此即可简单地识别出细胞是否与外部刺激接触。同样，在某些因素下，也可告诉细胞开始或停止繁殖。将BIL门与研究团队的生物学网络进行连接，就有可能实现从细胞到细胞的遗传信息交流，从而协调一组细胞的行为。,为了创建转录器和逻辑门，研究团队使用了经过仔细校准的酶组合，其能控制RNA聚合酶沿着DNA链的流动。DNA
8、相当于电线，RNA聚合酶相当于电子。对6个基本逻辑门的设计和构建是基于2种丝氨酸重组酶的活性基础之上的。每个逻辑门由3个基因组成：2个为编码输入的基因，一个为输出基因，该基因含有不同的转录控制元件（启动子，终止子），而这些转录控制元件在其侧面上具有重组酶识别位点。,转录器是对基因逻辑进行放大的关键组成部分。转录器的创建将允许工程师们在活细胞内进行计算和记录。当细胞暴露于某些外部刺激或环境因素，就能按需打开和关闭。该转录器获得了介于生物学晶体管和半导体晶体管之间的一些类似重要功能：信号放大。就像晶体管收音机将无线电波转变成为可听到的声音一样，生物晶体管能够放大一种酶产生的微小变化。,前景优势,放
9、大能够使信号实现远距离传输，比如说细胞群之间。这项新技术提供了一些其它的发展可能：比如说当细胞暴露在糖或者咖啡因时进行感知，并且像计算机内存中的数值一样储存那种信息，或者根据细胞周围的环境告诉细胞开始或者停止分裂。研究人员们已经将他们的生物逻辑闸门向公众开放，并且鼓励人们对它们进行使用和改善。聚合酶表达的微小变化，即可引起其他两个基因表达的很大变化。此一结果或将成为构建更大、更复杂基因电路的进身之阶。,研究人员希望，这些的晶体管可能最终建成微观生活计算机。该计算机将能够完成的任务，如判断存在一定的毒素是在细胞内，看到多少次癌细胞分裂，或如何准确地确定药物相互作用与每个细胞。一旦晶体管确定的条件得到满足，它可以被用来使细胞，和许多其他细胞，在它的周围，做了具体的事情-告诉癌细胞自我毁灭。“我们将能够把电脑变成任何你想要的，活的细胞”首席研究员在斯坦福大学工程学院的德鲁恩迪解释圣何塞水星报。说：“我们不是要取代硅的电脑，我们不打算更换手机或笔记本电脑，但我们要计算工作的地方，硅永远不会成功。,存在的缺陷：技术不成熟成本太大制造环境要求高，设备要求高 所以呢，想要研究生物晶体管，就要寻找易存活的微生物做这一研究，而且要高投资，进行多次试验，使技术慢慢的成熟。,Thank you,
