Page 22 - 《真空与低温》2025年第3期

陈越中等：背栅型纳米真空沟道晶体管阵列的电学特性及其高频小信号等效电路模型研究 293

NVCT on its electrical characteristics. These parametric studies establish quantitative relationships between structural config-
urations and device functionality. Furthermore，this study proposes two high-frequency small-signal equivalent circuit mod-
els based on nanoscale vacuum channel transistor arrays：the common-cathode high-frequency small-signal equivalent circuit
and the common-gate high-frequency small-signal equivalent circuit. The simulation results of these two equivalent circuit
models show that the common gate high-frequency small-signal equivalent circuit model is able to regulate the output current
more significantly and efficiently than the common cathode high-frequency small-signal equivalent circuit model under the
same DC bias conditions. These findings offer new insights and guidance for the application of nanoscale vacuum channel
transistors in next-generation electronics requiring ultra-low power consumption and radiation-hardened reliability.
Key words：nanoscale vacuum channel transistor；electrical characteristics；high-frequency small-signal equivalent circuit
model

0 引言 的生成。此外，NVCTs 的沟道尺寸通常小于空气中
电子的平均自由程（Mean Free Path，MFP），约 68 nm，
由于真空电子器件在高频 [1-2] 、抗辐射性 [3-4] 以
使得其在常压空气中即可稳定运行，无须高真空环
及在恶劣环境下的可靠性等方面的优异性能，在国
境或复杂封装技术。此时，沟道内的电子传输行为
防、航天、射频以及太赫兹技术等关键领域得到了
近似于准真空状态，进一步提高了器件的工作效率。
广泛应用。传统的真空电子器件存在尺寸大、易
碎、制造成本高以及集成能力低等问题，显著限制 因此，NVCTs 凭借其突破传统半导体器件物理极
了其在现代通信和集成电路中的应用。尽管如此， 限的潜力，在需要低功耗、高响应速度和高可靠性
真 空 通 道 中 电 子 传 输 的 理 论 速 度 可 达 到 约 3× 等性能的领域展现出显著优势。近年来，NVCTs
10
10 cm/s，而在半导体材料中，电子传输速度则受到 已成为学术界研究的热点，并被视为新一代电子器
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限制，仅为 5×10 cm/s 。这一显著差异赋予了真 件的发展方向，特别是在高频、低功耗应用以及极
空电子器件在载流子传输机制方面的固有优势，使 端环境下的应用中表现出广泛的前景。
[5]
[6]
其在 X 射线源 和高分辨率电子显微镜 等关键 为了提高 NVCTs 的性能并降低功耗，通常设
应用中不可替代。随着微加工技术的快速发展，制 计尖锐的阴极几何结构并选用低功函数材料，以降
造具有纳米级真空间隙的微型真空场发射晶体管 低其开启电场强度和增强发射电流 [1，3，7，9-11，13，15，18-19] 。
已经成为现实 [1-3，7-17] 。除了具备与传统真空电子器 同时为了进一步调制发射电流，研究人员提出了多种
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件相媲美的优越载流子传输机制外，这些纳米级真 不同栅极配置的 NVCTs，如侧栅极 、背栅极 [1，11，20] 、
空电子器件还更适合于片上集成，使其成为最具潜 双栅极 [21] 和环栅极 [10] 等。然而，大多数 NVCTs 的
力的下一代电子器件之一。 发射电流仍保持在微安的水平 [1，3，7，9-16，19，22] 。
纳米真空沟道晶体管（Nanoscale Vacuum Chan- 将 NVCTs 进一步扩展为阵列的形式是解决发
nel Transistors，NVCTs）是一种基于真空或准真空 射电流过小的一种可行方案。然而，阵列结构面临
沟道的新型电子器件，其工作原理依赖于载流子在 电极间距控制、电磁屏蔽效应等挑战，如何在不影
真空环境中的弹道传输（ballistic transport）。具体 响发射性能的前提下进一步缩小器件尺寸，仍是亟
而言，载流子在无散射条件下通过沟道进行传输。 待解决的问题。为此，本文提出了一种背栅型纳米
这种传输机制与传统固态器件中载流子通过扩散 真空沟道晶体管阵列，并利用电磁仿真软件 CST
机制（diffusion mechanism）传输的方式存在显著差 Studio Suite 研究了 NVCTs 阵列中阴极尖端间距对
异。NVCTs 的独特传输机制使其能够有效规避传 器件性能的影响，重点探讨了阴极尖端间距对跨导、
统固态器件面临的诸多物理限制，如短沟道效应 栅阴极电容等因素的影响。
（short-channel effects）、寄生电阻（parasitic resistance） 此外，本文通过模拟研究了栅极介电层特性与
和寄生电容（parasitic capacitance）。在 NVCTs 中，真 器件性能的关系，特别分析了高介电常数（High-k）
空沟道中载流子的弹道传输显著减少了与晶格及 栅极介电材料对跨导和极间电容的影响，为未来
杂质的散射，从而有效降低了能量损耗与寄生电阻。 在 NVCTs 中应用此类材料提供了宝贵参考。尽
与传统固态器件相比，真空介质的低介电常数特性 管 NVCT 在高频应用中具有显著优势，但其高频动
有效抑制了电极间电场耦合，进而减少了寄生电容 态性能的研究仍显不足。为了更好地挖掘其高频