數字化驅動微縮化對模擬電路構成嚴峻挑戰(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。新興低維半導體材料的特殊性質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，其利用負微分電阻誘導的電流超飽和狀態(tài)，可在微縮化過程中實現高達指數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變邊界處，電流超飽和特性產生了本征增益奇點。碳納米管獨特的柵極調制大窗口負微分電阻行為使其具備實際電路應用價值。實驗發(fā)現，當逼近奇點時，本征增益在工作點差異下呈現出高達10²至10?量級的指數級變化。基于該原理構建的運算放大器進一步驗證了指數可變高增益特性，其單級增益可通過調控實現35至60分貝范圍內的精準可調。
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。除利用NDR/正微分電阻（PDR）轉換邊界外，其寬范圍NDR區(qū)域也可應用于模擬集成電路——當器件偏置于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）進行調控。通過合理的設計方法，我們認為在其他窄帶隙材料（<1 eV）中亦可預見NDR效應等非傳統特性，尤其在新興材料體系中。以材料本征特性為基礎開發(fā)非硅基電路拓撲，將顯著拓展集成電路技術的多樣性。
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圖1 | CMOS碳納米管薄膜晶體管結構及其門極調控負微分電阻（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結構示意圖
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域的適用性。
b. 門極調控NDR現象的輸出特性曲線演變
曲線形態(tài)調控機制：碳納米管晶體管輸出特性可隨門極電壓調諧呈現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（橙色標記）；當調控至純正微分電阻（PDR）行為時，輸出曲線退化為僅含單調上升段的綠色線。
NDR/PDR過渡邊界：紅虛線標示NDR與PDR動態(tài)特性的臨界區(qū)域，表現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同作用。
局部極值標記：在NDR曲線上，通過橙色虛線標定電流極大值（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。
一、關鍵技術解析
1、核心發(fā)現對應性
*結構設計（a部分）：柔性基底選擇與CMOS工藝的兼容性設計，指向碳納米管在可穿戴電子和柔性系統中的應用潛力。
*NDR調控機制（b部分）：通過門極電壓動態(tài)控制NDR與PDR模式，驗證材料雙極性導電特性對電路功能重構的直接影響。
2、圖表設計邏輯
*顏色編碼體系：橙色代表NDR主導狀態(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。
3、應用映射
*NDR-PDR模式切換可作為智能傳感器、可重構放大器的核心單元；
*電流超飽和邊界為高增益運算電路提供理論設計依據（如文中所提60 dB運算放大器）。
二、重點術語強調
*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）的物理機制轉變；
*增益奇點：源于電流導數∂Id/∂Vds的急劇變化，直接關聯放大器開環(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）電學性能與NDR行為表征
a. 器件陣列轉移特性曲線統計
針對15組CMOS CNT-TFT器件陣列，在漏源電壓Vds梯度變化下的轉移特性（Id-Vgs）曲線集合。器件溝道尺寸統一為長度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調控下的輸出特性（Id-Vds）曲線，重點揭示NDR與PDR混合模式的協同工作區(qū)間。
c. 亞閾值區(qū)輸出特性局部放大 與 d. 對應輸出電導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)轉變過程，輸出電導gds（=∂Id/∂Vds）的負正極性反轉驗證雙極性導電的物理機制。
e. p型器件輸出電導gds二維色階圖 與 f. n型器件對應分析
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。黑色虛線明確標注NDR/PDR轉變邊界，量化材料帶隙對門極調控NDR行為的作用范圍。
一、技術解析框架
1、實驗設計層
*統計驗證（a）：15組器件數據凸顯工藝穩(wěn)定性，為CMOS集成提供良率保障。
*互補對設計（b）：p/n型器件協同表征直接支持模擬電路（如運算放大器）設計需求。
*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過程。
2、物理機制層
*gds極性反轉（d）：輸出電導由負轉正標志著載流子主導機制從雙極性競爭（NDR）過渡到單極性注入（PDR）。
*帶隙相關性（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制。
3、電路應用層
*NDR可重構性：二維gds映射為可調增益放大器提供設計圖譜（如文中60 dB運放案例）。
*轉變邊界參數化：NDR/PDR邊界坐標（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 | 基于雙極性半導體的晶體管NDR效應機制及可調性解析
a. 柵壓調控NDR效應演變示意圖
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行為轉變，紅色箭頭表示調控方向，揭示柵壓對雙極性競爭狀態(tài)的抑制作用。
b. 低|Vgs|下漏端傳導類型反轉的能帶示意圖
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)雙極性傳導競爭，產生NDR效應。
能帶傾斜：漏端強電場導致帶隙傾斜，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：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，輸運僅由多數載流子主導（PDR行為）。
溫度效應：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效應顯著。
f. p型CNT-TFT輸出電導gds二維色階圖對比
黑色虛線（Hipco-CNT）與白色虛線（電弧法CNT）分別標注NDR/PDR邊界，證明帶隙差異對NDR調控能力的影響：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載流子注入通道，與多數載流子產生復合損耗，導致電流隨Vds升高出現非單調變化（峰值→谷值→二次上升）。
能帶調控臨界點：當柵壓或溫度使漏端反型被抑制（對應能帶圖b→c），NDR效應消失，驗證“載流子類型反轉”是NDR的必要條件。
2、材料帶隙工程（e-f）
帶隙-NDR相關性：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，為可調電路設計提供材料選擇依據。
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開關閾值。
3、電路設計指導（應用映射）
NDR可重構性：通過調節(jié)Vgs或更換CNT材料，可實現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。
溫度容限設計：低溫應用需避免NDR失效，需優(yōu)選小帶隙材料或設計補償柵壓。
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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用
a. CMOS反相器電壓轉移特性與工作電流
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59.9 dB），揭示超陡峭轉換特性。
核心參數：增益G=|dVout/dVin|，CNT-TFT的高載流子遷移率與低界面態(tài)密度實現跨導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反相器增益調控特性
實心符號：菱形（p-TFT串聯電流源）與圓形（n-TFT串聯電流源）標記實驗測得的增益-電流關系，展示源極負反饋對增益的線性壓制作用（1/gm退化效應）。
空心符號：傳統硅基MOSFET（不同尺寸）的本征增益模擬值（插圖為線性坐標對比），突顯CNT-TFT在相同電流下的增益優(yōu)勢（達2個數量級）。
c. 溝道長度調制效應參數λ的器件對比
λ參數提取：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晶體管運算跨導放大器（5T-OTA）等效電路
核心結構：尾部晶體管M5等效為可調電流源，通過Vbias控制尾電流Itail，進而調節(jié)跨導gm與增益Gm=gm·Ro。
e. 基于CNT-TFT的5T-OTA差分增益可調性
實驗性能：Vbias掃描下，差分增益從59（35.4 dB）指數擴展至986（59.9 dB）—跨3個數量級的連續(xù)可調范圍（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運算放大器基準測試
性能指標：與現有代表性運放（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、技術解析框架
器件物理層
1、本征增益奇異性（a-c）
*gm/ro協同優(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。
*溝道調制效應抑制：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。
電路設計層
2、增益調控策略（b,d,e）
*源極負反饋技術：通過串聯電流源（電流退化）調節(jié)有效跨導gm_eff=gm/(1+gm·Rs)，實現增益線性可控（與b圖實驗數據一致）。
*5T-OTA指數調諧機制：尾電流Itail同時調制差分對管的Vov（過驅動電壓）與負載管ro，引發(fā)gm∝√Itail且ro∝1/Itail→Gm=gm·ro∝1/√Itail，理論推導與e圖指數曲線吻合。
3、系統級突破（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、核心性能指標對照表
|
指標 |
CNT-TFT 5T-OTA |
硅基5T-OTA（模擬） |
優(yōu)勢倍數 |
|
最大差分增益（dB） |
59.9（G=986） |
35.8（G=62） |
16× |
|
增益可調范圍（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，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-阻抗協同調制：5T-OTA通過Itail同時調制gm與ro，實現增益的寬范圍指數調節(jié)（傳統硅基OTA受λ限制僅支持線性調節(jié)）。
模數混合場景適用性：高增益（模擬）與低λ（數字抗噪聲）的兼容性，為單片集成傳感-計算系統提供器件基礎。
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體（CMOS）器件，其具有門極調控的負微分電阻（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誘導的電流超飽和現象，由此產生的本征增益奇點能夠實現高增益（最高達60 dB）的指數級可調性，且在器件微縮化過程中表現出抗性能退化能力。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至60 dB，其速度超越同類設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。https://doi.org/10.1038/s41467-025-58399-w
轉自《石墨烯研究》公眾號
