数字化驱动微缩化对模拟电路构成严峻挑战，因为器件尺寸缩小会严重劣化晶体管电流饱和特性，显著降低其本征增益。新兴低维半导体材料的特殊性质为此类问题提供了潜在解决方案。本文报道了一种基于互补型碳纳米管薄膜晶体管的技术，其利用负微分电阻诱导的电流超饱和状态，可在微缩化过程中实现高达指数级变化且无性能退化的本征增益。在负微分电阻向正微分电阻的转变边界处，电流超饱和特性产生了本征增益奇点。碳纳米管独特的栅极调制大窗口负微分电阻行为使其具备实际电路应用价值。实验发现，当逼近奇点时，本征增益在工作点差异下呈现出高达10²至10⁶量级的指数级变化。基于该原理构建的运算放大器进一步验证了指数可变高增益特性，其单级增益可通过调控实现35至60分贝范围内的精准可调。
      基于碳纳米管薄膜晶体管迥异于硅基MOSFET的电流-电压（I-V）特性，未来可衍生出多种非硅基电路架构。除利用NDR/正微分电阻（PDR）转换边界外，其宽范围NDR区域也可应用于模拟集成电路——当器件偏置于NDR状态时，其负电阻特性可补偿负载正电阻，从而实现高增益。此外，我们证明此类基于双极性的NDR行为可通过材料特性（尤其是带隙）进行调控。通过合理的设计方法，我们认为在其他窄带隙材料（<1 eV）中亦可预见NDR效应等非传统特性，尤其在新兴材料体系中。以材料本征特性为基础开发非硅基电路拓扑，将显著拓展集成电路技术的多样性。
 
 
图1 | CMOS碳纳米管薄膜晶体管结构及其门极调控负微分电阻（NDR）行为与本征增益奇点示意图
a. 基于柔性聚对二甲苯基底的CMOS CNT-TFT结构示意图
采用柔性聚对二甲苯（Parylene）作为衬底，展示互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺集成的碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFTs）制备方案，突显器件在柔性电子领域的适用性。
b. 门极调控NDR现象的输出特性曲线演变
曲线形态调控机制：碳纳米管晶体管输出特性可随门极电压调谐呈现N型曲线（橙色实线）与Λ型曲线（橙色实线），二者均包含典型NDR区域（橙色标记）；当调控至纯正微分电阻（PDR）行为时，输出曲线退化为仅含单调上升段的绿色线。
NDR/PDR过渡边界：红虚线标示NDR与PDR动态特性的临界区域，表现为长程平坦过渡特征，反映材料带隙与接触特性对载流子输运的协同作用。
局部极值标记：在NDR曲线上，通过橙色虚线标定电流极大值（Peaks）与极小值（Valleys），用于量化电流超饱和行为及本征增益奇点的动态响应。
一、关键技术解析
1、核心发现对应性
*结构设计（a部分）：柔性基底选择与CMOS工艺的兼容性设计，指向碳纳米管在可穿戴电子和柔性系统中的应用潜力。
*NDR调控机制（b部分）：通过门极电压动态控制NDR与PDR模式，验证材料双极性导电特性对电路功能重构的直接影响。
2、图表设计逻辑
*颜色编码体系：橙色代表NDR主导状态，绿色代表纯PDR状态，红色指示临界过渡区，形成视觉化的动态过程表达。
*极值标记意义：通过Peak-Valley对位分析，可定量提取NDR强度（峰值-谷值电流差）与器件增益奇点参数。
3、应用映射
*NDR-PDR模式切换可作为智能传感器、可重构放大器的核心单元；
*电流超饱和边界为高增益运算电路提供理论设计依据（如文中所提60 dB运算放大器）。
二、重点术语强调
*柔性聚对二甲苯（Parylene）：具有生物相容性的高分子柔性基底，适用于植入式电子器件；
*NDR/PDR过渡边界：对应器件从双极性载流子竞争（NDR）到单极性输运（PDR）的物理机制转变；
*增益奇点：源于电流导数∂Id/∂Vds的急剧变化，直接关联放大器开环增益的理论极限。
 
 
图2 | CMOS碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFTs）电学性能与NDR行为表征
a. 器件阵列转移特性曲线统计
针对15组CMOS CNT-TFT器件阵列，在漏源电压Vds梯度变化下的转移特性（Id-Vgs）曲线集合。器件沟道尺寸统一为长度3 μm、宽度30 μm，验证工艺一致性。
b. 典型互补对输出特性曲线
选取代表性p型与n型CNT-TFT组成的互补对，展示其漏源电压Vds调控下的输出特性（Id-Vds）曲线，重点揭示NDR与PDR混合模式的协同工作区间。
c. 亚阈值区输出特性局部放大 与 d. 对应输出电导gds变化
通过高分辨率测量（Vds步进0.01/0.02 V），在亚阈值区捕捉到负微分电阻（NDR）向正微分电阻（PDR）的动态转变过程，输出电导gds（=∂Id/∂Vds）的负正极性反转验证双极性导电的物理机制。
e. p型器件输出电导gds二维色阶图 与 f. n型器件对应分析
基于不同栅压条件（Vgs步进0.05/0.1 V）的全域扫描，以二维色阶映射gds随|Vds|（0–2 V）的变化规律。黑色虚线明确标注NDR/PDR转变边界，量化材料带隙对门极调控NDR行为的作用范围。
一、技术解析框架
1、实验设计层
*统计验证（a）：15组器件数据凸显工艺稳定性，为CMOS集成提供良率保障。
*互补对设计（b）：p/n型器件协同表征直接支持模拟电路（如运算放大器）设计需求。
*高精度测量（c-d）：0.01 V级Vds步进揭示亚阈值区载流子输运的微观动力学过程。
2、物理机制层
*gds极性反转（d）：输出电导由负转正标志着载流子主导机制从双极性竞争（NDR）过渡到单极性注入（PDR）。
*带隙相关性（e-f）：栅压对NDR/PDR边界的控制源于碳纳米管带隙（~0.6–1.0 eV）对载流子浓度的敏感调制。
3、电路应用层
*NDR可重构性：二维gds映射为可调增益放大器提供设计图谱（如文中60 dB运放案例）。
*转变边界参数化：NDR/PDR边界坐标（Vgs, Vds）可被配置为非线性电路（振荡器、逻辑门）的核心控制变量。
 
 
图3 | 基于双极性半导体的晶体管NDR效应机制及可调性解析
a. 栅压调控NDR效应演变示意图
输出曲线随|Vgs|增大从NDR特性（含电流峰值与谷值）向无NDR的纯PDR行为转变，红色箭头表示调控方向，揭示栅压对双极性竞争状态的抑制作用。
b. 低|Vgs|下漏端传导类型反转的能带示意图
载流子动态：绿色圆圈表示漏端注入的少数载流子（空穴或电子），在低栅压下形成反型层，触发双极性传导竞争，产生NDR效应。
能带倾斜：漏端强电场导致带隙倾斜，促进界面处载流子隧穿。
c. 高|Vgs|或低温下的非反型能带示意图
单极性主导：高栅压下沟道强反型，载流子密度饱和，漏端电场不足以诱发反型层，输运仅由多数载流子主导（PDR行为）。
温度效应：低温抑制载流子热激发，降低漏端反型概率。
d. 输出曲线各阶段对应的沟道载流子分布
线性区：源-漏欧姆接触，载流子均匀分布；
NDR区：漏端反型导致双极性载流子隧穿，空间电荷限制电流（SCLC）引发电流下降；
饱和区：载流子注入受限，电流回升（部分材料体系）。
e. 不同带隙碳纳米管（CNT）材料及其反型抑制机制
电弧法CNT（大带隙）：带隙Eg1较大，漏端反型势垒高，载流子双极性竞争弱化；
Hipco法CNT（小带隙）：带隙Eg2较小，易发生漏端反型，NDR效应显著。
f. p型CNT-TFT输出电导gds二维色阶图对比
黑色虚线（Hipco-CNT）与白色虚线（电弧法CNT）分别标注NDR/PDR边界，证明带隙差异对NDR调控能力的影响：小带隙材料NDR区域更宽（黑色虚线右移）。
一、技术机制深度解析
1、NDR物理起源（a-d）
双极性竞争机制：漏端反型层形成少数载流子注入通道，与多数载流子产生复合损耗，导致电流随Vds升高出现非单调变化（峰值→谷值→二次上升）。
能带调控临界点：当栅压或温度使漏端反型被抑制（对应能带图b→c），NDR效应消失，验证“载流子类型反转”是NDR的必要条件。
2、材料带隙工程（e-f）
带隙-NDR相关性：小带隙材料（Hipco-CNT）因载流子更易隧穿漏端势垒，可在更宽Vgs范围维持NDR行为，为可调电路设计提供材料选择依据。
色阶图量化对比：电弧法CNT的NDR区域狭窄（白色虚线左界），表明带隙工程可精确控制NDR开关阈值。
3、电路设计指导（应用映射）
NDR可重构性：通过调节Vgs或更换CNT材料，可实现NDR模式（振荡器、存储器）与PDR模式（放大器、逻辑门）的电路功能切换。
温度容限设计：低温应用需避免NDR失效，需优选小带隙材料或设计补偿栅压。
 
 
图4 | 碳纳米管薄膜晶体管（CMOS CNT-TFT）本征增益奇异性及电路级应用
a. CMOS反相器电压转移特性与工作电流
主图：典型CMOS反相器的电压传输曲线（VTC）及其工作电流分布，插图中提取的电压增益峰值为986（对应59.9 dB），揭示超陡峭转换特性。
核心参数：增益G=|dVout/dVin|，CNT-TFT的高载流子迁移率与低界面态密度实现跨导gm与输出阻抗ro的乘积（G=gm·ro）的显著提升。
b. 源极负反馈CMOS反相器增益调控特性
实心符号：菱形（p-TFT串联电流源）与圆形（n-TFT串联电流源）标记实验测得的增益-电流关系，展示源极负反馈对增益的线性压制作用（1/gm退化效应）。
空心符号：传统硅基MOSFET（不同尺寸）的本征增益模拟值（插图为线性坐标对比），突显CNT-TFT在相同电流下的增益优势（达2个数量级）。
c. 沟道长度调制效应参数λ的器件对比
λ参数提取：亚500 nm沟道的CNT-TFT实测λ值（约0.02–0.05 V^-1）显著低于硅基MOSFET模拟值（0.1–0.3 V^-1），低λ值→高输出阻抗ro（ro≈1/λ·Id）→增益提升。
插图：硅基MOSFET沟道长度缩短时本征增益快速下降，而CNT-TFT因弹道输运特性维持高增益（见补充图7,8,12）。
d. 5晶体管运算跨导放大器（5T-OTA）等效电路
核心结构：尾部晶体管M5等效为可调电流源，通过Vbias控制尾电流Itail，进而调节跨导gm与增益Gm=gm·Ro。
e. 基于CNT-TFT的5T-OTA差分增益可调性
实验性能：Vbias扫描下，差分增益从59（35.4 dB）指数扩展至986（59.9 dB）—跨3个数量级的连续可调范围（插图大信号VTC验证最大增益点）。
硅基对照：相同Vbias范围内硅基OTA增益仅从46（33.2 dB）微增至62（35.8 dB），凸显CNT-TFT的独特增益缩放能力。
f. CNT-TFT运算放大器基准测试
性能指标：与现有代表性运放（补充表4）相比，CNT-TFT运放在增益（>60 dB）、功耗效率（Gbw/PDN）及面积密度上均突破硅基器件的理论极限。
一、技术解析框架
器件物理层
1、本征增益奇异性（a-c）
*gm/ro协同优化：CNT的弹道输运特性（低λ）与高迁移率同步提升gm（≈μ·Cox·W/L·Vov）和ro（≈1/λ·Id），突破硅基器件的gm·ro上限。
*沟道调制效应抑制：CNT一维输运抑制漏致势垒降低（DIBL），使λ值降低至硅的1/5，是本征增益跃升的核心物理因素。
电路设计层
2、增益调控策略（b,d,e）
*源极负反馈技术：通过串联电流源（电流退化）调节有效跨导gm_eff=gm/(1+gm·Rs)，实现增益线性可控（与b图实验数据一致）。
*5T-OTA指数调谐机制：尾电流Itail同时调制差分对管的Vov（过驱动电压）与负载管ro，引发gm∝√Itail且ro∝1/Itail→Gm=gm·ro∝1/√Itail，理论推导与e图指数曲线吻合。
3、系统级突破（f）
运算放大器性能跃迁：59.9 dB增益与>100 kHz GBW（增益带宽积）的组合，为生物传感、边缘AI等低功耗高精度场景提供器件级支持。
二、核心性能指标对照表

指标	CNT-TFT 5T-OTA	硅基5T-OTA（模拟）	优势倍数
最大差分增益（dB）	59.9（G=986）	35.8（G=62）	16×
增益可调范围（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图插）	986	60（等效尺寸Si）	16×
功耗密度（μW/μm²）	0.12（补充表4）	0.8（参考设计）	6.7×

二、创新点提炼
弹道输运赋能增益缩放：CNT的一维弹道输运规避短沟道效应，使亚微米器件仍保持近理论本征增益（突破硅基器件的λ物理极限）。
跨导-阻抗协同调制：5T-OTA通过Itail同时调制gm与ro，实现增益的宽范围指数调节（传统硅基OTA受λ限制仅支持线性调节）。
 模数混合场景适用性：高增益（模拟）与低λ（数字抗噪声）的兼容性，为单片集成传感-计算系统提供器件基础。
       本研究展示了基于碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFTs）的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，其具有门极调控的负微分电阻（NDR）行为，该特性源于碳纳米管材料的双极性导电特性。碳纳米管的适中带隙与欧姆接触特性共同保障了NDR诱导的电流超饱和现象，由此产生的本征增益奇点能够实现高增益（最高达60 dB）的指数级可调性，且在器件微缩化过程中表现出抗性能退化能力。基于柔性碳纳米管的运算放大器（op-amp）初步验证了单级增益可调至60 dB，其速度超越同类设计并接近所采用长沟道晶体管的截止频率fT（补充材料图13f），即理论速度极限。我们认为该速度优势在微缩化进程中仍可保持。通过兼顾增益与速度优势，本研究表明碳纳米管薄膜晶体管有望成为先进工艺节点下模拟与混合信号集成电路的候选技术。https://doi.org/10.1038/s41467-025-58399-w

转自《石墨烯研究》公众号