《SCIENCE ADVANCES》：Flexible amplifier with >100-dB voltage gain enabled by intrinsic gain singularity of carbon nanotube transistors
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本文报道了一种基于碳纳米管（CNT）薄膜晶体管（TFT）中由负微分电阻（NDR）效应诱导的本征增益奇点，实现超高增益柔性放大器的新策略。通过系统研究接触、栅结构和沟道长度对NDR行为的调控机制，研究人员采用器件-电路协同设计方法，制备出增益高达104 dB的柔性放大器，并成功演示了脑电图（EEG）信号的放大，为可穿戴生物集成系统中微弱生理信号的高保真采集提供了创新解决方案。
在精准医疗和个性化健康管理的浪潮下，能够实时、高保真地监测体表微弱生理信号（如心电图、肌电图、脑电图等）的可穿戴电子设备，已成为前沿研究热点。其中，脑电图（EEG）信号的幅度尤为微弱，低至微伏（μV）级别。为了将如此微弱的信号提升至后续处理所需的伏（V）级别，通常需要超过105倍（即大于100分贝，dB）的电压增益。然而，在柔性集成电路中实现如此高的增益面临巨大挑战，主要受限于有限的集成规模和晶体管性能的波动性。传统的硅基芯片可通过复杂的多级共源共栅（cascode）或自举（bootstrapping）等电路拓扑实现高增益，但这些复杂结构难以在柔性平台上复现。另一方面，基于新兴材料（如负电容晶体管）的放大器虽可简化电路，但受制于迟滞和不稳定性。因此，开发一种既能实现超高增益，又具备优异机械柔性的放大器，是推动下一代高性能、可穿戴生物电子系统发展的关键。
本项研究由清华大学等单位的研究人员完成，相关成果以“Flexible amplifier with >100-dB voltage gain enabled by intrinsic gain singularity of carbon nanotube transistors”为题发表于《SCIENCE ADVANCES》。研究团队巧妙利用了碳纳米管薄膜晶体管中一种独特的物理现象——负微分电阻效应，并以此为基础，通过精细的器件设计与电路拓扑协同优化，成功突破了柔性放大器增益的瓶颈。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，在超薄聚酰亚胺（PI）柔性衬底上，通过紫外光刻、电子束蒸发、原子层沉积（ALD）和溶液法浸涂等技术，制备了高性能的底栅结构碳纳米管薄膜晶体管；其次，利用半导体参数分析仪对器件的转移特性、输出特性及负微分电阻行为进行了系统的电学表征；再者，通过改变接触金属（如钯Pd和钛Ti）、栅极结构（空气间隙栅与交叠栅）和沟道长度，系统研究了NDR行为的调控机制；此外，结合电致发光成像技术，直观揭示了沟道内载流子分布与NDR行为的动态关联；最后，基于上述器件物理的深入理解，采用器件-电路协同设计策略，构建了基于零栅压负载（zero-Vgsload）的单级共源放大器，并对其增益性能及在模拟脑电图信号放大中的应用进行了验证。
RESULTS
具有NDR效应的柔性碳纳米管晶体管
研究首先在2微米厚的聚酰亚胺（PI）柔性衬底上制备了基于高纯度半导体性碳纳米管网络的底栅结构薄膜晶体管。采用高功函数的钯（Pd）作为接触金属以实现欧姆接触，并选择氧化钇（Y2O3）作为栅介质。所得的电子薄膜展现出优异的柔性和透明度，在弯曲循环后电学性能几乎保持不变。典型的柔性碳纳米管晶体管在亚阈值区展现出由栅压调制的N形和Λ形负微分电阻（NDR）曲线。在NDR与正微分电阻（PDR）的转变边界，晶体管的输出电导（gds）趋近于零，从而产生了本征增益奇点（即理论上的无限大增益Av= gm/gds→ ∞），这为构建超高增益放大器奠定了物理基础。
沟道内载流子分布的演变
NDR行为源于沟道漏极侧少数载流子反转以及两种载流子（空穴和电子）之间的竞争。在亚阈值区，随着漏源电压|Vds|的增加，漏极侧的能带被抬高，导致空穴耗尽，形成高阻区域。进一步增加|Vds|会使漏极侧的电子注入势垒变薄，使得少数载流子（电子）得以注入，在漏极侧形成导电类型反转，从而在沟道内形成p-i-n（空穴-本征-电子）结构，这是NDR现象产生的物理机制。为了直接验证这一机制，研究人员观测了与输出特性同步的近红外电致发光图像。随着|Vds|的增加，发光区域从漏极侧向源极侧迁移，直观地反映了沟道内本征区（i区）的移动以及载流子分布的动态演变，与上述NDR机制的解释完全吻合。
NDR行为的调制
通过系统研究接触金属、栅极结构和沟道长度对NDR特性的影响，研究人员揭示了调控NDR行为的关键参数。首先，接触金属的功函数对载流子注入有决定性影响。与钯（Pd）接触相比，采用钛（Ti）接触（功函数较低）的器件，其空穴注入受到抑制而电子注入得到促进，导致两种载流子的竞争更加均衡。这使得NDR现象在更宽的栅压（Vgs）范围内持续出现，但在漏源电压（Vds）尺度上，NDR窗口变窄。其次，栅极结构影响栅控效率。采用交叠栅（overlapping gate）结构的器件相比空气间隙栅（air-gap gate）结构，拥有更好的栅控能力，能形成更大的NDR区域和更宽的电流过饱和区，这有利于在电路中利用增益奇点。最后，沟道长度（Lch）主要起到微调作用。较短的沟道长度由于沟道电阻更低，在相同Vds下，漏极侧的电压降更大，从而更有利于电子注入和载流子反转，增强了NDR效应，表现为更宽的NDR窗口和更高的峰谷电流比。
基于器件-电路协同设计实现大于100 dB电压增益的柔性碳纳米管放大器
基于对NDR调制机制的深入理解，研究团队提出了一种器件-电路协同设计策略。其核心是采用一种电压增益主要由NDR晶体管的输出电阻决定的电路拓扑。为此，他们选择了简单的单级共源放大器，并采用零栅压连接的晶体管作为负载。通过器件层面的协同工程（包括采用Pd接触、交叠栅结构，并将沟道长度优化为10微米），成功将产生本征增益奇点的电流过饱和曲线调整至栅压Vgs≈ 0 V附近。利用这一增益奇点，所构建的柔性放大器在5V工作电压下实现了高达1.5 × 105倍（约104 dB）的电压增益，超过了所有已报道的柔性放大器。该增益在弯曲条件下性能衰减可忽略。作为对比，非协同设计的放大器（如采用Ti接触器件或未进行结构优化的器件）均表现出较低的增益。这一超高增益满足了放大脑电图等微弱信号的关键需求。研究人员将一段幅度低至100 μV的模拟脑电图播放信号输入该放大器，成功将其放大至约0.1 V，满足了后续伏特级信号处理和数字化的要求。对输出信号进行功率谱密度分析，结果显示在清醒、睁眼状态下特征性的β节律（12-30 Hz）功率显著增强，符合预期的生理特征。
综上所述，本研究通过系统探究碳纳米管薄膜晶体管中NDR效应的物理机制及调制方法，发展出一种有效的器件-电路协同设计策略，成功制备出增益突破100 dB的柔性超高增益放大器。该工作不仅创造了柔性放大器增益的新纪录，并成功演示了对微弱脑电图信号的有效放大，为开发下一代高性能、可穿戴/可植入的生物医学电子设备（如长期健康监测系统、神经接口等）提供了一条创新的技术路径。研究揭示的通过接触工程、结构设计和尺寸优化来调制NDR行为的机理，以及所展示的协同优化策略，为未来基于NDR效应的功能电路开发奠定了坚实基础，并可推广至其他低维双极性半导体材料体系。
