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线性及功率难题的解决方案：

碳纳米管射频放大器

Solving the Linearity and Power Conundrum: Carbon Nanotube RF Amplifiers

Philbert F. Marsh, Christopher Rutherglen, Alexander A. Kane, Tyler A. Cain and Kosmas Galatsis
Carbonics Inc., Culver City, Calif.
Stephen A. Maas, Nonlinear Technologies Inc., Long Beach, Calif.
Mohammed R. AlShareef, National Center for MEMS Technology, Riyadh, Saudi Arabia

碳纳米管（CNT）晶体管由于其弹道式输运特性而具有固有线性，并且可与CMOS单
片集成。

4 如 今射频环境日益拥挤，不需要的射频信号进入宽带射频前端放大器，
3 CNT-FET 导致接收机产生三阶互调失真（IMD3）。IMD3信号由于性质使然，
GaAs PHEMT
2 RF CMOS 通常接近于接收机的调谐频率，难以滤除。因此，较微弱的目标信号会被接
收机生成的IMD3信号所湮没。同时，若存在大量的失真信号，则会形成新
Extrinsic f t (GHz) 100 6 5 2018 范围。在数字通信中，灵敏度因此降低，表现为误码率（BER）升高，从而
的噪声基底，超过接收机噪声系数本身所决定的噪声基底，从而缩小了动态
造成数据传输距离和速度受限。所以，我们需要较高的放大器输出三阶交调

3 4 2016 截取点（OIP3），因为对于给定的基本信号功率，OIP3每增加1dB，IMD3
便会下降2dB。虽然靠增加晶体管尺寸和DC偏置功率都可以使OIP3升高，
2015
2 但类似于卫星和移动/便携式设备等诸多系统的功率都有限。对电路的线性
化亦可提升OIP3；然而随着频率增加，效果会越来越差。对于给定的电路方
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3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 案，仍然可以通过改善底层晶体管技术来改进OIP3。不单单依赖于上述方
0.1
Gate Length (m) 法，而是从根本上改善晶体管的固有线性度则是更理想的方案。 1
(a)
晶体管固有线性的传输曲线，即漏极电流（I d ）对栅极电压（V gs ），可
40 由其线性度品质因数OIP3/P dc 表示（单位为dB），其中P dc 为DC偏置功耗。更
35 新、更密集的调制方案，例如用于5G的256-QAM，则需要具有高OIP3/P dc 比
Fit
30 率的射频前端，以实现高灵敏度、高频带利用率以及低功耗。军事战场信号
1
丰富，也要求OIP3/P dc 比率高 ，从而实现高动态范围和灵敏度，同时延长电
25 池寿命。
|H 21| (dB) 20 Measured 由于当前半导体技术成熟，若要在OIP3/P dc 或频率性能方面有所突破革
15 新，就需要从射频半导体器件可能的材料和结构角度重新进行思考，而非局
CNT-FET 2018
f t = 60 GHz 限于现有技术。考虑到成本的控制以及单片集成的可扩展性，新器件结构也
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(extrinsic)
必须与CMOS兼容。
5 碳纳米管场效应管（CNT-FET）采用对准的半导体碳纳米管制得，通过
0 一维载流子输运。自1991年被发现以来，这些约1.5纳米的圆柱形碳分子一
1 10 100
(b) Frequency (GHz) 直被认为是一种新兴的高性能电子材料。虽然人们早就知道碳纳米管的传
输特性非同一般，例如电流及跨导分别超过了每管25μA和20μs，但在很长
4-5
图1：Carbonics推出的CNT-FET 的f t 与GaAs PHEMT 一段时间内，如何同时实现高纯度的半导体碳纳米管（>99.9％）以及致密
和射频CMOS技术之比较（a）。2018年制造的CNT- 对准阵列（>40个/μm）成为一大挑战，于是这些特性未能在实际装置中完
FET栅长110nm，外源性f t 达60GHz（b）。 全展现。现在，我们已经克服了这些挑战，器件性能也因此得以提升。
8 www.mwjournalchina.com Microwave Journal China 微波杂志 Jul/Aug 2019