數(shù)字化驅(qū)動微縮化對模擬電路構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)，因為器件尺寸縮小會嚴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)為此類問題提供了潛在解決方案。本文報道了一種基于互補型碳納米管薄膜晶體管的技術(shù)，其利用負微分電阻誘導(dǎo)的電流超飽和狀態(tài)，可在微縮化過程中實現(xiàn)高達指數(shù)級變化且無性能退化的本征增益。在負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。碳納米管獨特的柵極調(diào)制大窗口負微分電阻行為使其具備實際電路應(yīng)用價值。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)逼近奇點時，本征增益在工作點差異下呈現(xiàn)出高達10²至10?量級的指數(shù)級變化。基于該原理構(gòu)建的運算放大器進一步驗證了指數(shù)可變高增益特性，其單級增益可通過調(diào)控實現(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，其負電阻特性可補償負載正電阻，從而實現(xiàn)高增益。此外，我們證明此類基于雙極性的NDR行為可通過材料特性（尤其是帶隙）進行調(diào)控。通過合理的設(shè)計方法，我們認為在其他窄帶隙材料（<1 eV）中亦可預(yù)見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)開發(fā)非硅基電路拓撲，將顯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)及其門極調(diào)控負微分電阻（NDR）行為與本征增益奇點示意圖
a. 基于柔性聚對二甲苯基底的CMOS CNT-TFT結(jié)構(gòu)示意圖
采用柔性聚對二甲苯（Parylene）作為襯底，展示互補金屬氧化物半導(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)控機制：碳納米管晶體管輸出特性可隨門極電壓調(diào)諧呈現(xiàn)N型曲線（橙色實線）與Λ型曲線（橙色實線），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，輸出曲線退化為僅含單調(diào)上升段的綠色線。
NDR/PDR過渡邊界：紅虛線標(biāo)示NDR與PDR動態(tài)特性的臨界區(qū)域，表現(xiàn)為長程平坦過渡特征，反映材料帶隙與接觸特性對載流子輸運的協(xié)同作用。
局部極值標(biāo)記：在NDR曲線上，通過橙色虛線標(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的動態(tài)響應(yīng)。
一、關(guān)鍵技術(shù)解析
1、核心發(fā)現(xiàn)對應(yīng)性
*結(jié)構(gòu)設(shè)計（a部分）：柔性基底選擇與CMOS工藝的兼容性設(shè)計，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)控機制（b部分）：通過門極電壓動態(tài)控制NDR與PDR模式，驗證材料雙極性導(dǎo)電特性對電路功能重構(gòu)的直接影響。
2、圖表設(shè)計邏輯
*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)，紅色指示臨界過渡區(qū)，形成視覺化的動態(tài)過程表達。
*極值標(biāo)記意義：通過Peak-Valley對位分析，可定量提取NDR強度（峰值-谷值電流差）與器件增益奇點參數(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算電路提供理論設(shè)計依據(jù)（如文中所提60 dB運算放大器）。
二、重點術(shù)語強調(diào)
*柔性聚對二甲苯（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過渡邊界：對應(yīng)器件從雙極性載流子競爭（NDR）到單極性輸運（PDR）的物理機制轉(zhuǎn)變；
*增益奇點：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
針對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)一為長度3 μm、寬度30 μm，驗證工藝一致性。
b. 典型互補對輸出特性曲線
選取代表性p型與n型CNT-TFT組成的互補對，展示其漏源電壓Vds調(diào)控下的輸出特性（Id-Vds）曲線，重點揭示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. 對應(yīng)輸出電導(dǎo)gds變化
通過高分辨率測量（Vds步進0.01/0.02 V），在亞閾值區(qū)捕捉到負微分電阻（NDR）向正微分電阻（PDR）的動態(tài)轉(zhuǎn)變過程，輸出電導(dǎo)gds（=∂Id/∂Vds）的負正極性反轉(zhuǎn)驗證雙極性導(dǎo)電的物理機制。
e. p型器件輸出電導(dǎo)gds二維色階圖 與 f. n型器件對應(yīng)分析
基于不同柵壓條件（Vgs步進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，量化材料帶隙對門極調(diào)控NDR行為的作用范圍。
一、技術(shù)解析框架
1、實驗設(shè)計層
*統(tǒng)計驗證（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。
*互補對設(shè)計（b）：p/n型器件協(xié)同表征直接支持模擬電路（如運算放大器）設(shè)計需求。
*高精度測量（c-d）：0.01 V級Vds步進揭示亞閾值區(qū)載流子輸運的微觀動力學(xué)過程。
2、物理機制層
*gds極性反轉(zhuǎn)（d）：輸出電導(dǎo)由負轉(zhuǎn)正標(biāo)志著載流子主導(dǎo)機制從雙極性競爭（NDR）過渡到單極性注入（PDR）。
*帶隙相關(guān)性（e-f）：柵壓對NDR/PDR邊界的控制源于碳納米管帶隙（~0.6–1.0 eV）對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)計圖譜（如文中60 dB運放案例）。
*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）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，揭示柵壓對雙極性競爭狀態(tài)的抑制作用。
b. 低|Vgs|下漏端傳導(dǎo)類型反轉(zhuǎn)的能帶示意圖
載流子動態(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)競爭，產(chǎn)生NDR效應(yīng)。
能帶傾斜：漏端強電場導(dǎo)致帶隙傾斜，促進界面處載流子隧穿。
c. 高|Vgs|或低溫下的非反型能帶示意圖
單極性主導(dǎo)：高柵壓下溝道強反型，載流子密度飽和，漏端電場不足以誘發(fā)反型層，輸運僅由多數(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制
電弧法CNT（大帶隙）：帶隙Eg1較大，漏端反型勢壘高，載流子雙極性競爭弱化；
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)機制深度解析
1、NDR物理起源（a-d）
雙極性競爭機制：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：當(dāng)柵壓或溫度使漏端反型被抑制（對應(yīng)能帶圖b→c），NDR效應(yīng)消失，驗證“載流子類型反轉(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壘，可在更寬Vgs范圍維持NDR行為，為可調(diào)電路設(shè)計提供材料選擇依據(jù)。
色階圖量化對比：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開關(guān)閾值。
3、電路設(shè)計指導(dǎo)（應(yīng)用映射）
NDR可重構(gòu)性：通過調(diào)節(jié)Vgs或更換CNT材料，可實現(xiàn)NDR模式（振蕩器、存儲器）與PDR模式（放大器、邏輯門）的電路功能切換。
溫度容限設(shè)計：低溫應(yīng)用需避免NDR失效，需優(yōu)選小帶隙材料或設(shè)計補償柵壓。
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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. 源極負反饋CMOS反相器增益調(diào)控特性
實心符號：菱形（p-TFT串聯(lián)電流源）與圓形（n-TFT串聯(lián)電流源）標(biāo)記實驗測得的增益-電流關(guān)系，展示源極負反饋對增益的線性壓制作用（1/gm退化效應(yīng)）。
空心符號：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)對比），突顯CNT-TFT在相同電流下的增益優(yōu)勢（達2個數(shù)量級）。
c. 溝道長度調(diào)制效應(yīng)參數(shù)λ的器件對比
λ參數(shù)提取：亞500 nm溝道的CNT-TFT實測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溝道長度縮短時本征增益快速下降，而CNT-TFT因彈道輸運特性維持高增益（見補充圖7,8,12）。
d. 5晶體管運算跨導(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Vbias控制尾電流Itail，進而調(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
實驗性能：Vbias掃描下，差分增益從59（35.4 dB）指數(shù)擴展至986（59.9 dB）—跨3個數(shù)量級的連續(xù)可調(diào)范圍（插圖大信號VTC驗證最大增益點）。
硅基對照：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的獨特增益縮放能力。
f. CNT-TFT運算放大器基準(zhǔn)測試
性能指標(biāo)：與現(xiàn)有代表性運放（補充表4）相比，CNT-TFT運放在增益（>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一維輸運抑制漏致勢壘降低（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)計層
2、增益調(diào)控策略（b,d,e）
*源極負反饋技術(shù)：通過串聯(lián)電流源（電流退化）調(diào)節(jié)有效跨導(dǎo)gm_eff=gm/(1+gm·Rs)，實現(xiàn)增益線性可控（與b圖實驗數(shù)據(jù)一致）。
*5T-OTA指數(shù)調(diào)諧機制：尾電流Itail同時調(diào)制差分對管的Vov（過驅(qū)動電壓）與負載管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)級突破（f）
運算放大器性能躍遷：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等低功耗高精度場景提供器件級支持。
二、核心性能指標(biāo)對照表
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指標(biāo) |
CNT-TFT 5T-OTA |
硅基5T-OTA（模擬） |
優(yōu)勢倍數(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（補充表4） |
0.8（參考設(shè)計） |
6.7×
|
二、創(chuàng)新點提煉
彈道輸運賦能增益縮放：CNT的一維彈道輸運規(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Itail同時調(diào)制gm與ro，實現(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）的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件，其具有門極調(diào)控的負微分電阻（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)生的本征增益奇點能夠?qū)崿F(xiàn)高增益（最高達60 dB）的指數(shù)級可調(diào)性，且在器件微縮化過程中表現(xiàn)出抗性能退化能力。基于柔性碳納米管的運算放大器（op-amp）初步驗證了單級增益可調(diào)至60 dB，其速度超越同類設(shè)計并接近所采用長溝道晶體管的截止頻率fT（補充材料圖13f），即理論速度極限。我們認為該速度優(yōu)勢在微縮化進程中仍可保持。通過兼顧增益與速度優(yōu)勢，本研究表明碳納米管薄膜晶體管有望成為先進工藝節(jié)點下模擬與混合信號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
