數(shù)字化驅(qū)動(dòng)微縮化對(duì)模擬電路構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因?yàn)槠骷叽缈s小會(huì)嚴(yán)重劣化晶體管電流飽和特性，顯著降低其本征增益。新興低維半導(dǎo)體材料的特殊性質(zhì)為此類(lèi)問(wèn)題提供了潛在解決方案。本文報(bào)道了一種基于互補(bǔ)型碳納米管薄膜晶體管的技術(shù)，其利用負(fù)微分電阻誘導(dǎo)的電流超飽和狀態(tài)，可在微縮化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高達(dá)指數(shù)級(jí)變化且無(wú)性能退化的本征增益。在負(fù)微分電阻向正微分電阻的轉(zhuǎn)變邊界處，電流超飽和特性產(chǎn)生了本征增益奇點(diǎn)。碳納米管獨(dú)特的柵極調(diào)制大窗口負(fù)微分電阻行為使其具備實(shí)際電路應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)逼近奇點(diǎn)時(shí)，本征增益在工作點(diǎn)差異下呈現(xiàn)出高達(dá)10²至10?量級(jí)的指數(shù)級(jí)變化。基于該原理構(gòu)建的運(yùn)算放大器進(jìn)一步驗(yàn)證了指數(shù)可變高增益特性，其單級(jí)增益可通過(guò)調(diào)控實(shí)現(xiàn)35至60分貝范圍內(nèi)的精準(zhǔn)可調(diào)。
基于碳納米管薄膜晶體管迥異于硅基MOSFET的電流-電壓（I-V）特性，未來(lái)可衍生出多種非硅基電路架構(gòu)。除利用NDR/正微分電阻（PDR）轉(zhuǎn)換邊界外，其寬范圍NDR區(qū)域也可應(yīng)用于模擬集成電路——當(dāng)器件偏置于NDR狀態(tài)時(shí)，其負(fù)電阻特性可補(bǔ)償負(fù)載正電阻，從而實(shí)現(xiàn)高增益。此外，我們證明此類(lèi)基于雙極性的NDR行為可通過(guò)材料特性（尤其是帶隙）進(jìn)行調(diào)控。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)方法，我們認(rèn)為在其他窄帶隙材料（<1 eV）中亦可預(yù)見(jiàn)NDR效應(yīng)等非傳統(tǒng)特性，尤其在新興材料體系中。以材料本征特性為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)非硅基電路拓?fù)洌瑢@著拓展集成電路技術(shù)的多樣性。
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圖1 | CMOS碳納米管薄膜晶體管結(jié)構(gòu)及其門(mén)極調(diào)控負(fù)微分電阻（NDR）行為與本征增益奇點(diǎn)示意圖
a. 基于柔性聚對(duì)二甲苯基底的CMOS CNT-TFT結(jié)構(gòu)示意圖
采用柔性聚對(duì)二甲苯（Parylene）作為襯底，展示互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝集成的碳納米管薄膜晶體管（CNT-TFTs）制備方案，突顯器件在柔性電子領(lǐng)域的適用性。
b. 門(mén)極調(diào)控NDR現(xiàn)象的輸出特性曲線演變
曲線形態(tài)調(diào)控機(jī)制：碳納米管晶體管輸出特性可隨門(mén)極電壓調(diào)諧呈現(xiàn)N型曲線（橙色實(shí)線）與Λ型曲線（橙色實(shí)線），二者均包含典型NDR區(qū)域（橙色標(biāo)記）；當(dāng)調(diào)控至純正微分電阻（PDR）行為時(shí)，輸出曲線退化為僅含單調(diào)上升段的綠色線。
NDR/PDR過(guò)渡邊界：紅虛線標(biāo)示NDR與PDR動(dòng)態(tài)特性的臨界區(qū)域，表現(xiàn)為長(zhǎng)程平坦過(guò)渡特征，反映材料帶隙與接觸特性對(duì)載流子輸運(yùn)的協(xié)同作用。
局部極值標(biāo)記：在NDR曲線上，通過(guò)橙色虛線標(biāo)定電流極大值（Peaks）與極小值（Valleys），用于量化電流超飽和行為及本征增益奇點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
一、關(guān)鍵技術(shù)解析
1、核心發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)性
*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（a部分）：柔性基底選擇與CMOS工藝的兼容性設(shè)計(jì)，指向碳納米管在可穿戴電子和柔性系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。
*NDR調(diào)控機(jī)制（b部分）：通過(guò)門(mén)極電壓動(dòng)態(tài)控制NDR與PDR模式，驗(yàn)證材料雙極性導(dǎo)電特性對(duì)電路功能重構(gòu)的直接影響。
2、圖表設(shè)計(jì)邏輯
*顏色編碼體系：橙色代表NDR主導(dǎo)狀態(tài)，綠色代表純PDR狀態(tài)，紅色指示臨界過(guò)渡區(qū)，形成視覺(jué)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程表達(dá)。
*極值標(biāo)記意義：通過(guò)Peak-Valley對(duì)位分析，可定量提取NDR強(qiáng)度（峰值-谷值電流差）與器件增益奇點(diǎn)參數(shù)。
3、應(yīng)用映射
*NDR-PDR模式切換可作為智能傳感器、可重構(gòu)放大器的核心單元；
*電流超飽和邊界為高增益運(yùn)算電路提供理論設(shè)計(jì)依據(jù)（如文中所提60 dB運(yùn)算放大器）。
二、重點(diǎn)術(shù)語(yǔ)強(qiáng)調(diào)
*柔性聚對(duì)二甲苯（Parylene）：具有生物相容性的高分子柔性基底，適用于植入式電子器件；
*NDR/PDR過(guò)渡邊界：對(duì)應(yīng)器件從雙極性載流子競(jìng)爭(zhēng)（NDR）到單極性輸運(yùn)（PDR）的物理機(jī)制轉(zhuǎn)變；
*增益奇點(diǎn)：源于電流導(dǎo)數(shù)∂Id/∂Vds的急劇變化，直接關(guān)聯(lián)放大器開(kāi)環(huán)增益的理論極限。
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圖2 | CMOS碳納米管薄膜晶體管（CNT-TFTs）電學(xué)性能與NDR行為表征
a. 器件陣列轉(zhuǎn)移特性曲線統(tǒng)計(jì)
針對(duì)15組CMOS CNT-TFT器件陣列，在漏源電壓Vds梯度變化下的轉(zhuǎn)移特性（Id-Vgs）曲線集合。器件溝道尺寸統(tǒng)一為長(zhǎng)度3 μm、寬度30 μm，驗(yàn)證工藝一致性。
b. 典型互補(bǔ)對(duì)輸出特性曲線
選取代表性p型與n型CNT-TFT組成的互補(bǔ)對(duì)，展示其漏源電壓Vds調(diào)控下的輸出特性（Id-Vds）曲線，重點(diǎn)揭示NDR與PDR混合模式的協(xié)同工作區(qū)間。
c. 亞閾值區(qū)輸出特性局部放大 與 d. 對(duì)應(yīng)輸出電導(dǎo)gds變化
通過(guò)高分辨率測(cè)量（Vds步進(jìn)0.01/0.02 V），在亞閾值區(qū)捕捉到負(fù)微分電阻（NDR）向正微分電阻（PDR）的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程，輸出電導(dǎo)gds（=∂Id/∂Vds）的負(fù)正極性反轉(zhuǎn)驗(yàn)證雙極性導(dǎo)電的物理機(jī)制。
e. p型器件輸出電導(dǎo)gds二維色階圖 與 f. n型器件對(duì)應(yīng)分析
基于不同柵壓條件（Vgs步進(jìn)0.05/0.1 V）的全域掃描，以二維色階映射gds隨|Vds|（0–2 V）的變化規(guī)律。黑色虛線明確標(biāo)注NDR/PDR轉(zhuǎn)變邊界，量化材料帶隙對(duì)門(mén)極調(diào)控NDR行為的作用范圍。
一、技術(shù)解析框架
1、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)層
*統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證（a）：15組器件數(shù)據(jù)凸顯工藝穩(wěn)定性，為CMOS集成提供良率保障。
*互補(bǔ)對(duì)設(shè)計(jì)（b）：p/n型器件協(xié)同表征直接支持模擬電路（如運(yùn)算放大器）設(shè)計(jì)需求。
*高精度測(cè)量（c-d）：0.01 V級(jí)Vds步進(jìn)揭示亞閾值區(qū)載流子輸運(yùn)的微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程。
2、物理機(jī)制層
*gds極性反轉(zhuǎn)（d）：輸出電導(dǎo)由負(fù)轉(zhuǎn)正標(biāo)志著載流子主導(dǎo)機(jī)制從雙極性競(jìng)爭(zhēng)（NDR）過(guò)渡到單極性注入（PDR）。
*帶隙相關(guān)性（e-f）：柵壓對(duì)NDR/PDR邊界的控制源于碳納米管帶隙（~0.6–1.0 eV）對(duì)載流子濃度的敏感調(diào)制。
3、電路應(yīng)用層
*NDR可重構(gòu)性：二維gds映射為可調(diào)增益放大器提供設(shè)計(jì)圖譜（如文中60 dB運(yùn)放案例）。
*轉(zhuǎn)變邊界參數(shù)化：NDR/PDR邊界坐標(biāo)（Vgs, Vds）可被配置為非線性電路（振蕩器、邏輯門(mén)）的核心控制變量。
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圖3 | 基于雙極性半導(dǎo)體的晶體管NDR效應(yīng)機(jī)制及可調(diào)性解析
a. 柵壓調(diào)控NDR效應(yīng)演變示意圖
輸出曲線隨|Vgs|增大從NDR特性（含電流峰值與谷值）向無(wú)NDR的純PDR行為轉(zhuǎn)變，紅色箭頭表示調(diào)控方向，揭示柵壓對(duì)雙極性競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的抑制作用。
b. 低|Vgs|下漏端傳導(dǎo)類(lèi)型反轉(zhuǎn)的能帶示意圖
載流子動(dòng)態(tài)：綠色圓圈表示漏端注入的少數(shù)載流子（空穴或電子），在低柵壓下形成反型層，觸發(fā)雙極性傳導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)生NDR效應(yīng)。
能帶傾斜：漏端強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致帶隙傾斜，促進(jìn)界面處載流子隧穿。
c. 高|Vgs|或低溫下的非反型能帶示意圖
單極性主導(dǎo)：高柵壓下溝道強(qiáng)反型，載流子密度飽和，漏端電場(chǎng)不足以誘發(fā)反型層，輸運(yùn)僅由多數(shù)載流子主導(dǎo)（PDR行為）。
溫度效應(yīng)：低溫抑制載流子熱激發(fā)，降低漏端反型概率。
d. 輸出曲線各階段對(duì)應(yīng)的溝道載流子分布
線性區(qū)：源-漏歐姆接觸，載流子均勻分布；
NDR區(qū)：漏端反型導(dǎo)致雙極性載流子隧穿，空間電荷限制電流（SCLC）引發(fā)電流下降；
飽和區(qū)：載流子注入受限，電流回升（部分材料體系）。
e. 不同帶隙碳納米管（CNT）材料及其反型抑制機(jī)制
電弧法CNT（大帶隙）：帶隙Eg1較大，漏端反型勢(shì)壘高，載流子雙極性競(jìng)爭(zhēng)弱化；
Hipco法CNT（小帶隙）：帶隙Eg2較小，易發(fā)生漏端反型，NDR效應(yīng)顯著。
f. p型CNT-TFT輸出電導(dǎo)gds二維色階圖對(duì)比
黑色虛線（Hipco-CNT）與白色虛線（電弧法CNT）分別標(biāo)注NDR/PDR邊界，證明帶隙差異對(duì)NDR調(diào)控能力的影響：小帶隙材料NDR區(qū)域更寬（黑色虛線右移）。
一、技術(shù)機(jī)制深度解析
1、NDR物理起源（a-d）
雙極性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制：漏端反型層形成少數(shù)載流子注入通道，與多數(shù)載流子產(chǎn)生復(fù)合損耗，導(dǎo)致電流隨Vds升高出現(xiàn)非單調(diào)變化（峰值→谷值→二次上升）。
能帶調(diào)控臨界點(diǎn)：當(dāng)柵壓或溫度使漏端反型被抑制（對(duì)應(yīng)能帶圖b→c），NDR效應(yīng)消失，驗(yàn)證“載流子類(lèi)型反轉(zhuǎn)”是NDR的必要條件。
2、材料帶隙工程（e-f）
帶隙-NDR相關(guān)性：小帶隙材料（Hipco-CNT）因載流子更易隧穿漏端勢(shì)壘，可在更寬Vgs范圍維持NDR行為，為可調(diào)電路設(shè)計(jì)提供材料選擇依據(jù)。
色階圖量化對(duì)比：電弧法CNT的NDR區(qū)域狹窄（白色虛線左界），表明帶隙工程可精確控制NDR開(kāi)關(guān)閾值。
3、電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)（應(yīng)用映射）
NDR可重構(gòu)性：通過(guò)調(diào)節(jié)Vgs或更換CNT材料，可實(shí)現(xiàn)NDR模式（振蕩器、存儲(chǔ)器）與PDR模式（放大器、邏輯門(mén)）的電路功能切換。
溫度容限設(shè)計(jì)：低溫應(yīng)用需避免NDR失效，需優(yōu)選小帶隙材料或設(shè)計(jì)補(bǔ)償柵壓。
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圖4 | 碳納米管薄膜晶體管（CMOS CNT-TFT）本征增益奇異性及電路級(jí)應(yīng)用
a. CMOS反相器電壓轉(zhuǎn)移特性與工作電流
主圖：典型CMOS反相器的電壓傳輸曲線（VTC）及其工作電流分布，插圖中提取的電壓增益峰值為986（對(duì)應(yīng)59.9 dB），揭示超陡峭轉(zhuǎn)換特性。
核心參數(shù)：增益G=|dVout/dVin|，CNT-TFT的高載流子遷移率與低界面態(tài)密度實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)gm與輸出阻抗ro的乘積（G=gm·ro）的顯著提升。
b. 源極負(fù)反饋CMOS反相器增益調(diào)控特性
實(shí)心符號(hào)：菱形（p-TFT串聯(lián)電流源）與圓形（n-TFT串聯(lián)電流源）標(biāo)記實(shí)驗(yàn)測(cè)得的增益-電流關(guān)系，展示源極負(fù)反饋對(duì)增益的線性壓制作用（1/gm退化效應(yīng)）。
空心符號(hào)：傳統(tǒng)硅基MOSFET（不同尺寸）的本征增益模擬值（插圖為線性坐標(biāo)對(duì)比），突顯CNT-TFT在相同電流下的增益優(yōu)勢(shì)（達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)）。
c. 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)參數(shù)λ的器件對(duì)比
λ參數(shù)提取：亞500 nm溝道的CNT-TFT實(shí)測(cè)λ值（約0.02–0.05 V^-1）顯著低于硅基MOSFET模擬值（0.1–0.3 V^-1），低λ值→高輸出阻抗ro（ro≈1/λ·Id）→增益提升。
插圖：硅基MOSFET溝道長(zhǎng)度縮短時(shí)本征增益快速下降，而CNT-TFT因彈道輸運(yùn)特性維持高增益（見(jiàn)補(bǔ)充圖7,8,12）。
d. 5晶體管運(yùn)算跨導(dǎo)放大器（5T-OTA）等效電路
核心結(jié)構(gòu)：尾部晶體管M5等效為可調(diào)電流源，通過(guò)Vbias控制尾電流Itail，進(jìn)而調(diào)節(jié)跨導(dǎo)gm與增益Gm=gm·Ro。
e. 基于CNT-TFT的5T-OTA差分增益可調(diào)性
實(shí)驗(yàn)性能：Vbias掃描下，差分增益從59（35.4 dB）指數(shù)擴(kuò)展至986（59.9 dB）—跨3個(gè)數(shù)量級(jí)的連續(xù)可調(diào)范圍（插圖大信號(hào)VTC驗(yàn)證最大增益點(diǎn)）。
硅基對(duì)照：相同Vbias范圍內(nèi)硅基OTA增益僅從46（33.2 dB）微增至62（35.8 dB），凸顯CNT-TFT的獨(dú)特增益縮放能力。
f. CNT-TFT運(yùn)算放大器基準(zhǔn)測(cè)試
性能指標(biāo)：與現(xiàn)有代表性運(yùn)放（補(bǔ)充表4）相比，CNT-TFT運(yùn)放在增益（>60 dB）、功耗效率（Gbw/PDN）及面積密度上均突破硅基器件的理論極限。
一、技術(shù)解析框架
器件物理層
1、本征增益奇異性（a-c）
*gm/ro協(xié)同優(yōu)化：CNT的彈道輸運(yùn)特性（低λ）與高遷移率同步提升gm（≈μ·Cox·W/L·Vov）和ro（≈1/λ·Id），突破硅基器件的gm·ro上限。
*溝道調(diào)制效應(yīng)抑制：CNT一維輸運(yùn)抑制漏致勢(shì)壘降低（DIBL），使λ值降低至硅的1/5，是本征增益躍升的核心物理因素。
電路設(shè)計(jì)層
2、增益調(diào)控策略（b,d,e）
*源極負(fù)反饋技術(shù)：通過(guò)串聯(lián)電流源（電流退化）調(diào)節(jié)有效跨導(dǎo)gm_eff=gm/(1+gm·Rs)，實(shí)現(xiàn)增益線性可控（與b圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致）。
*5T-OTA指數(shù)調(diào)諧機(jī)制：尾電流Itail同時(shí)調(diào)制差分對(duì)管的Vov（過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓）與負(fù)載管ro，引發(fā)gm∝√Itail且ro∝1/Itail→Gm=gm·ro∝1/√Itail，理論推導(dǎo)與e圖指數(shù)曲線吻合。
3、系統(tǒng)級(jí)突破（f）
運(yùn)算放大器性能躍遷：59.9 dB增益與>100 kHz GBW（增益帶寬積）的組合，為生物傳感、邊緣AI等低功耗高精度場(chǎng)景提供器件級(jí)支持。
二、核心性能指標(biāo)對(duì)照表
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指標(biāo) |
CNT-TFT 5T-OTA |
硅基5T-OTA（模擬） |
優(yōu)勢(shì)倍數(shù) |
|
最大差分增益（dB） |
59.9（G=986） |
35.8（G=62） |
16× |
|
增益可調(diào)范圍（dB） |
35.4–59.9（24.5 dB跨度） |
33.2–35.8（2.6 dB跨度） |
9.4× |
|
本征增益（a圖插） |
986 |
60（等效尺寸Si） |
16× |
|
功耗密度（μW/μm²） |
0.12（補(bǔ)充表4） |
0.8（參考設(shè)計(jì)） |
6.7×
|
二、創(chuàng)新點(diǎn)提煉
彈道輸運(yùn)賦能增益縮放：CNT的一維彈道輸運(yùn)規(guī)避短溝道效應(yīng)，使亞微米器件仍保持近理論本征增益（突破硅基器件的λ物理極限）。
跨導(dǎo)-阻抗協(xié)同調(diào)制：5T-OTA通過(guò)Itail同時(shí)調(diào)制gm與ro，實(shí)現(xiàn)增益的寬范圍指數(shù)調(diào)節(jié)（傳統(tǒng)硅基OTA受λ限制僅支持線性調(diào)節(jié)）。
模數(shù)混合場(chǎng)景適用性：高增益（模擬）與低λ（數(shù)字抗噪聲）的兼容性，為單片集成傳感-計(jì)算系統(tǒng)提供器件基礎(chǔ)。
本研究展示了基于碳納米管薄膜晶體管（CNT-TFTs）的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件，其具有門(mén)極調(diào)控的負(fù)微分電阻（NDR）行為，該特性源于碳納米管材料的雙極性導(dǎo)電特性。碳納米管的適中帶隙與歐姆接觸特性共同保障了NDR誘導(dǎo)的電流超飽和現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的本征增益奇點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)高增益（最高達(dá)60 dB）的指數(shù)級(jí)可調(diào)性，且在器件微縮化過(guò)程中表現(xiàn)出抗性能退化能力。基于柔性碳納米管的運(yùn)算放大器（op-amp）初步驗(yàn)證了單級(jí)增益可調(diào)至60 dB，其速度超越同類(lèi)設(shè)計(jì)并接近所采用長(zhǎng)溝道晶體管的截止頻率fT（補(bǔ)充材料圖13f），即理論速度極限。我們認(rèn)為該速度優(yōu)勢(shì)在微縮化進(jìn)程中仍可保持。通過(guò)兼顧增益與速度優(yōu)勢(shì)，本研究表明碳納米管薄膜晶體管有望成為先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下模擬與混合信號(hào)集成電路的候選技術(shù)。https://doi.org/10.1038/s41467-025-58399-w
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
