在标准 CMOS 晶体管中观察到负微分电阻的新现象及其在紧凑型倍频器中的应用

把微小开关变成信号整形器

现代电子由难以想象的小型开关——晶体管构成。本文表明，一种完全标准、已用于大规模生产计算机芯片的晶体管，在合适条件下不仅能简单地开关电流，还能以有用的方式重塑电信号。这为通信和传感领域实现更小、更节能的电路打开了大门。

电流中的奇异下凹

通常情况下，提高电压会使更多电流流过电器件。但本研究关注一种不寻常的例外：负微分电阻，即电压升高时电流短暂下降。这种特性以前在一些特殊材料或奇异器件中被观察到，但在日常芯片中广泛使用的主流晶体管里很少见到。若能在主流工艺中发现此行为，设计者就能在不改变制造流程的情况下获得新功能。

常见晶体管的构造

团队研究的是完全耗尽的硅绝缘体上硅（FDSOI）晶体管，这是现代许多处理器所用基本开关的改良版。在该结构中，超薄硅层置于绝缘层之上，金属栅极位于其上方以控制电子在源极与漏极之间的移动。该结构以低漏电、对电流的强控制能力以及适合微缩化而著称。这些特性也使其成为一个干净的平台，便于发现诸如团队要探索的那种微妙非线性行为——即意外的电流下降。

电流下降的两种不同机制

通过在器件不同端子上细致测量电流随电压的响应，研究人员发现了两类不同的负微分电阻。在收集离开沟道电子的漏极端，该效应仅在很高电压下出现。在此情况下，部分电子获得足够能量成为“热电子”并被困在靠近漏极的材料中。这些被困电荷使局部电场畸变并暂时减少电流。噪声测量、计算机模拟和温度测试都支持这一解释：随着温度升高，电子更难以成为热电子，电流下凹现象减弱。

体端的稳定“甜点”

第二种且更有用的效应出现在体端——沟道下方的隐含硅区。当漏极电压较高并扫描栅极电压时，体电流先急剧上升然后下降，形成明确的峰值。在低栅压时，靠近漏极的漏泄效应占主导。随着栅压进入中等范围，横向电场变强，电子触发冲击电离，产生额外电荷并提升体电流。继续提高栅压会降低沟道电阻，从而减弱横向电场并减少额外电荷产生，使电流回落。这种干净的升—降模式在许多器件与多次测试周期中高度可重复，峰—谷电流比率非常大。

从奇异行为到实用功能

由于体电流对栅压以陡峭且可预测的方式响应，团队利用这种非线性仅用一枚晶体管和一个外部电阻构建了一个简单的倍频器。在栅极输入低频正弦波可在输出获得以原频率两倍为主分量的信号，且通过调整漏极电压可开关这种倍频效应。虽然该演示在适用于传感的适中频率下运行，但它表明标准芯片工艺可以承载紧凑、可重构的信号处理模块，而无需奇异材料或复杂的多器件电路。通俗地说，这项工作把一个基本开关变成了芯片上用于重塑信号的微小工具，同时加深了我们对先进晶体管结构中电流流动方式的理解。

引用: Kwak, B., Cho, Y., Han, C. et al. A novel observation of negative differential resistance in a standard CMOS transistor and its application to a compact frequency doubler. Microsyst Nanoeng 12, 186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01276-3

关键词: 负微分电阻, CMOS 晶体管, FDSOI, 倍频器, 非线性电子学