【儀表網 研發快訊】隨著集成電路技術的快速發展，硅基互補極性金屬-氧化物-半導體(CMOS)晶體管尺寸的持續微縮為數字電路帶來了速度提升、功耗降低和集成度提高等顯著收益，但尺寸縮減同時也對先進工藝節點下模擬電路的設計帶來嚴峻挑戰。硅基CMOS技術在尺寸縮減過程中，短溝道效應使得晶體管的電流飽和特性顯著惡化，本征增益(用于表征晶體管所能提供的最大電壓增益)持續衰退，限制了高精度模擬電路的設計。現有器件層面的解決方案，普遍存在驅動電流低、工藝兼容性差或難以實現互補極性器件集成等問題。
針對這一問題，電子學院胡又凡-彭練矛團隊基于碳納米管材料和碳納米管晶體管的特性進行研究，于近期首次報道了碳納米管CMOS晶體管中亞閾值區的本征負微分電阻效應和電流超飽和現象。研究表明，碳基CMOS晶體管中存在長且平坦的負-正微分電阻轉變邊界，對應電流超飽和現象和本征增益奇點(微分電導趨近于零，本征增益趨于無窮大)。當晶體管偏置在超飽和區域附近，可取得102至106的超高且指數可調增益。
圖1 超飽和的碳基CMOS晶體管。a，柔性碳基CMOS晶體管結構示意圖；b，碳基CMOS晶體管的輸出曲線示意圖，包含亞閾值區的本征負微分電阻效應和電流超飽和現象
研究發現，碳基器件本征增益奇點在器件溝道長度縮減至深亞微米尺度下仍可保持，證明了碳基器件的高增益特性可以有效抵御尺寸縮減衰退。此外，在亞閾值區表現NDR與電流超飽和特性的器件在開態仍可具備優異的電學性能，微米尺度的柔性碳基CMOS晶體管開態電流和跨導值均超過目前已有報道的同等尺寸其他柔性CMOS晶體管技術，溝道尺寸縮減至深亞微米的碳基晶體管的開態電流密度超過1mA/μm，性能與先進節點硅基器件相當，展現了碳基技術在構建下一代模擬與混合信號集成電路中的潛力。
圖2 超飽和碳基CMOS晶體管的電學特性表征。a—b，晶體管的轉移與輸出特性圖；c—d，亞閾值區負-正微分電阻轉變曲線與微分電導提取；e—f，晶體管的微分電導圖，包含大面積的柵壓可調NDR區域
研究進一步從物理機制層面揭示了窄帶隙材料中雙極性載流子競爭導致NDR效應的機理，并通過能帶工程驗證了NDR機制在碳納米管等窄帶隙半導體材料體系中的普適性。碳納米管的準一維形態所致的無費米釘扎效應、超薄體帶來的強靜電控制能力等優異特性使得碳基CMOS晶體管中的NDR效應具有大的電壓窗口和平坦的轉變邊界，進一步使得器件的本征增益奇點效應可以在實際電路中得到應用。基于以上發現，研究團隊構建的柔性碳基CMOS運算放大器在單級結構中實現了35至60分貝的可調增益范圍，單級增益遠超此前同類工作，且無需復雜外圍電路即可實現指數可調增益，展示出碳基CMOS技術基于自身器件特點進行電路拓撲創新的可能性。同時，基于NDR機制的普適性，研究的相關工作也有望延伸至其他窄帶隙半導體、新興低維材料體系中。
圖3 具備超高和指數可調增益的柔性碳基CMOS運算放大器。a，基于柔性碳基CMOS晶體管構建的五管運算放大器電路圖；b，柔性碳基CMOS運算放大器在尾電流源管不同偏置狀態下取得35dB—60dB的指數可調增益；c，與代表性工作對比
以上相關成果以《具有本征增益奇點的超飽和互補極性碳納米管晶體管》(“Super-saturated complementary carbon nanotube transistors with intrinsic gain singularities”)為題，于2025年4月10日在線發表于《自然·通訊》(Nature Communications)。該項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目以及納米器件物理與化學教育部重點實驗室的支持。北京大學電子學院博雅博士后龍冠樺為論文第一作者，胡又凡和彭練矛為論文共同通訊作者，論文的主要合作作者還包括北京大學電子學院教授張志勇、梁學磊，北京郵電大學研究員張盼盼以及清華大學教授孫楠等。該成果為柔性和碳基電子在模擬與混合信號集成電路領域的進一步發展提供了關鍵技術支撐，有望進一步推動實現柔性和碳基電子在智能物聯網邊緣節點、自適應人機交互系統等應用場景下的應用和創新發展。
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