突破硅基cmos局限：碳纳米管晶体管实现超高增益模拟电路

硅基CMOS晶体管尺寸的持续缩小，虽然提升了数字电路性能，却给模拟电路设计带来了巨大挑战。传统硅基CMOS技术在微缩过程中，短沟道效应导致晶体管增益下降，限制了高精度模拟电路的研发。现有解决方案存在诸多不足，例如驱动电流低、工艺兼容性差等。

为解决这一难题，北京大学胡又凡-彭练矛团队基于碳纳米管材料，取得了突破性进展。他们首次报道了碳纳米管CMOS晶体管中亚阈值区的本征负微分电阻效应和电流超饱和现象。研究表明，碳基CMOS晶体管拥有长且平坦的负-正微分电阻转变边界，对应电流超饱和现象和本征增益奇点（微分电导趋近于零，本征增益趋于无穷大）。在超饱和区域附近工作，可获得高达102至10?的超高且指数可调增益。

图1 超饱和碳基CMOS晶体管： (a) 柔性碳基CMOS晶体管结构示意图；(b) 碳基CMOS晶体管输出曲线，显示亚阈值区的本征负微分电阻效应和电流超饱和现象。

研究发现，即使沟道长度缩减至深亚微米尺度，碳基器件的本征增益奇点依然保持，有效抵御了尺寸缩减带来的增益衰退。 即使在亚阈值区，展现NDR和电流超饱和特性的器件也保持了优异的电学性能。微米级柔性碳基CMOS晶体管的开态电流和跨导值均超过现有同类技术，深亚微米级器件的开态电流密度超过1 mA/μm，性能与先进节点硅基器件相当。

图2 超饱和碳基CMOS晶体管电学特性： (a-b) 晶体管转移和输出特性曲线；(c-d) 亚阈值区负-正微分电阻转变曲线和微分电导提取；(e-f) 晶体管微分电导图，显示大面积栅压可调NDR区域。

该团队进一步阐明了窄带隙材料中双极性载流子竞争导致NDR效应的物理机制，并验证了该机制的普适性。碳纳米管的独特特性，如无费米钉扎效应和强静电控制能力，使得碳基CMOS晶体管的NDR效应具有大的电压窗口和平坦的转变边界，从而使器件的本征增益奇点效应得以实际应用。 基于此，研究团队构建的柔性碳基CMOS运算放大器在单级结构中实现了35至60分贝的可调增益，远超同类工作，且无需复杂外围电路即可实现指数可调增益。

图3 超高和指数可调增益的柔性碳基CMOS运算放大器： (a) 基于柔性碳基CMOS晶体管构建的五管运算放大器电路图；(b) 运算放大器在不同偏置状态下获得35dB-60dB指数可调增益；(c) 与代表性工作对比。

这项研究成果发表在《自然 通讯》(Nature Communications)上，为柔性和碳基电子在模拟与混合信号集成电路领域的应用提供了关键技术支撑，有望推动其在智能物联网边缘节点、自适应人机交互系统等领域的创新发展。 北京大学电子学院博雅博士后龙冠桦为论文第一作者，胡又凡副教授和彭练矛教授为共同通讯作者。