【原】彭练矛院士团队：碳纳米管再破瓶颈！

在我们日常接触的手机、电脑、智能设备中，有一种关键零部件叫做“晶体管”。它就像电路中的开关或调节阀门，负责控制电流的通断和强弱。虽然晶体管技术已经发展了七十多年，但在模拟信号处理领域，它正面临一个越来越棘手的问题——难以维持“增益”性能，而这直接影响着设备的信号处理能力。

近日，北京大学彭练矛院士团队利用碳纳米管（CNT）成功构建了一种具有“内在增益奇点”的晶体管，不仅突破了传统硅基晶体管在缩小尺寸过程中的瓶颈，还展示了在电路中实现超高增益和灵活调节的可能性。

在传统晶体管中，尤其是硅材料制成的MOSFET，随着尺寸不断缩小，虽然可以提升数字电路的速度和密度，却会引发一个麻烦：电流控制变得越来越“松散”，这使得晶体管的“内在增益”——即放大能力明显下降。这对需要精准处理连续信号的模拟电路是个大问题。以往，为了弥补这种性能下滑，不得不引入复杂的电路结构来“加强”增益，不仅提高了设计难度，也增加了功耗。

此次研究选择从材料层面“换个思路”：使用不仅尺寸极小，结构规整，还具备良好电导性和灵活的电子调控能力的碳纳米管。研究人员利用碳纳米管薄膜制成了“互补型场效应晶体管”（CMOS CNT-TFT），并在其中首次观察到了由材料特性引发的负微分电阻效应（NDR），进而实现了“电流超饱和”现象。这种“超饱和”正是实现高增益的关键。

“负微分电阻”到底是什么？简单说，它是一种在电压上升时，电流反而下降的反常现象。一般我们会直觉认为电压越大，电流越大。但在某些特殊材料或结构中，电压越高却导致载流子（电子或空穴）移动受限，反而电流下降。这种现象一旦被精确控制，就可以用来“卡住”电流变化，使得电压放大倍数（也就是增益）瞬间变得非常大。研究中发现，在碳纳米管晶体管中，当电压调节到一个特定临界点时，输出电流的变化变得极其平坦，几乎不再随电压变化——这个点就是“增益奇点”，在理论上，它的增益趋近于无限。

为了让这种奇点能够被稳定利用，研究人员精心设计了电极材料、器件结构和制作工艺。发现碳纳米管天然具有对称的能带结构，并不存在硅器件常见的“费米钉扎效应”，使得可以通过调控电极材料（如钯、钪）来控制晶体管是“正型”还是“负型”，无需传统“掺杂”过程。这种“互补性”使得其能够构建出完整的CMOS逻辑电路，不仅适用于模拟电路，还能兼容数字电路。

更重要的是，这种基于碳纳米管的晶体管在缩小到纳米级别时，仍然可以保持高增益性能。研究结果显示，在通道长度缩短至150纳米以下时，这种NDR效应依然存在，且增益奇点依然清晰可见，完全打破了硅器件“越小越差”的“魔咒”。此外，研究人员还通过一系列温度变化实验、电流驱动实验、带隙调控等手段，进一步证实了这种现象的物理本质源于碳纳米管本身的“电子双通道特性”，即它可以同时传导电子和空穴。正是这种“对称性”，为NDR的出现创造了理想条件。

此外，研究人员将这种高增益特性成功应用于电路中——构建了一个基于这种晶体管的单级运算放大器（op-amp），通过调节输入电流，成功实现了从35分贝到60分贝（约为59到986倍）的大范围、连续可调增益。更重要的是，这种放大器不需要复杂的“增益增强电路”，就可以实现此前必须依赖专用设计才能达到的性能水平。这在未来用于可穿戴电子、柔性设备、甚至生物接口电路中，具有巨大应用前景。

除了高增益，碳纳米管器件在速度上也表现出色。研究显示，其晶体管的频率响应（fT）已达30MHz以上，未来通过进一步缩小尺寸，有望超过100GHz，超越传统硅技术的极限。意味着这种新型器件不仅可以用在低频精密放大中，也有潜力应用于高速无线通信、信号调理等领域。

此项研究还为“非硅电子”提供了清晰的突破路径。随着硅基技术接近物理极限，寻找替代材料成为全球半导体产业的关键课题。而碳纳米管凭借其尺寸优势、电学性能和制造兼容性，正逐步从实验室走向实际应用。本研究不仅证明了其在模拟电路中的可行性，还展示了在芯片级集成方面的工程潜力，比如其运放已成功实现柔性器件上的构建。在当前模拟电路设计逐渐遇冷，而AI边缘计算、柔性可穿戴设备快速兴起的时代背景下，这种高性能、高适应性的新型晶体管无疑为未来电子系统带来了新的可能。

原文信息：Long, G., Wang, Y., Bai, T. et al. Super-saturated complementary carbon nanotube transistors with intrinsic gain singularities. Nat Commun16, 3390 (2025). https:///10.1038/s41467-025-58399-w