Page 24 - 《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 295

 3 
( ) 2 数因子，V/m。
2  
Aαβ V gc +λV ac   Bdφ 2  
I ac = c exp− ( ) （6） 基于先前实验获得的硅基材料场发射参数，


2
d φ   β V gc +λV ac  
v
2
−9
在 仿 真 中设 a FN = 6.0×10 A/V ， 以 及 b FN = 2.56×
式中：c 为传输因子，描述阳极和阴极间的电流在
10 V/m。
7
总发射电流的比例。在背栅型 NVCTs 中，栅极基
本不捕获从阴极发射出来的电子，因此 c 值主要受 2 结果与讨论

到真空度的影响。在仿真模拟中，c 值可以看成 1， 2.1 阴极尖端间距对器件发射性能的影响
即阳极电流可以近似为发射电流。 在构建了纳米真空沟道晶体管阵列器件模型
在 CST Studio Suite 中，电压只能施加于理想 并明确其主要工作机制后，对图 1 所示的纳米真空
导体（Perfect Electric Conductor，PEC）。因此，在本 沟道晶体管阵列的输入输出特性进行了仿真分析，
文中阴极、阳极和栅极均采用理想电导体（PEC）材 其输出特性曲线和转移特性曲线如图 2 所示（其
料建模。在阴极尖端的发射表面应用了 F-N 场诱 中 E c 为导带；E v 为价带；E f 为费米能级）。从图 2（a）
导电子发射模型。通过对实际材料的场发射特性 和图 2（b）可以看出，阳极电流随着输入电压的增
进行测试，拟合实验数据，调整 CST Studio Suite 内 加呈现指数增长，这与前文描述的 F-N 隧穿理论一
置场发射公式的参数，可以定义不同材料的场发射 致。此外，在图 2（c）中，展示了在外加电压作用下，
特性（在本模型中，选用 n 型硅作为发射材料），在 Fowler-Nordheim（F-N）隧穿过程中能带结构的变化
CST Studio Suite 中的 F-N 场发射模型的表达式为： 示意图。当外部电压逐渐增大时，施加在阴极上的
( )
2 b FN 电场强度增强，真空势垒高度逐渐减小且弯曲。随
J FN = a FN E exp − （7）
E 着电场强度的增加，电子的能量足以克服材料内的
式中：J F 为 N F-N 发射电流密度；a F 为 F-N 场发射 费米能级，通过隧穿效应越过真空势垒并最终被阳
N
2
模型的线性因子，A/V ；b F 为 N F-N 场发射模型的指 极捕获形成阳极电流。

5×10 −5
7×10 −5
V g =−5 V V a =20 V
4×10 −5 6×10 −5 V a =25 V
V a =0 V 5×10 −5 V a =30 V
V a =5 V
阳极电流/A 3×10 −5 阳极电流/A 4×10 −5
−5
−5
3×10
2×10
2×10 −5
1×10 −5
1×10 −5
0 0
0 5 10 15 20 25 30 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10
阳极电压/V 栅极电压/V
（a）输出特性曲线 （b）转移特性曲线

E c E c
E f E f
真空 真空
E v E v
阴极 阳极 阴极 阳极

（c）F-N 隧穿机制能带示意图

图 2 纳米真空沟道晶体管阵列的电学特性及 F-N 隧穿能带示意图
Fig. 2 The electrical characteristics and F-N tunnelling energy bands of the NVCT arrays

图 3 为在 V a =30 V 和 V g =10 V 时，不同阴极尖 端间距 d 下的阴极尖端表面电场分布。