Page 25 - 《真空与低温》2025年第3期
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296 真空与低温 第 31 卷 第 3 期
电场强度/（V/m） 成正比关系，因此屏蔽效应抑制了电子的有效发射。
d=100 nm 5.0×10 8
4.5×10 8 另一方面，图 4 展示了在 V a =30 V 和 V g =10 V 时
4.0×10 8 阴极尖端间距对尖端电场和发射电流的影响。通
8
E max =7.04×10 V/m 3.5×10 8
过分析图中数据，发现随着尖端间距的增加，阴极
（a）d=100 nm 3.0×10 8
2.5×10 8 尖端的电场强度和发射电流均呈上升趋势。然而，
d=150 nm
2.0×10 8 当尖端间距增大到某一临界值后，电场强度和发射
1.5×10 8
1.0×10 8 电流的变化趋于饱和，继续增加间距对电场增强和
8
E max =7.08×10 V/m
5.0×10 7 发射电流的贡献逐渐减小。这表明，当尖端间距达
（b）d=150 nm 0
到一定程度时，电场屏蔽效应的影响逐渐降低，进
图 3 不同 d 值下的阴极尖端表面电场分布 一步增大间距对电场和发射电流的提升作用有限。
Fig. 3 Surface electric field distribution at the cathode tip for 因此，合理优化阴极尖端间距至关重要。过小
different d values
的间距会导致电场屏蔽效应的增强，从而限制发射
从图 3 可以看出，随着阴极尖端间距的增大， 电流，而过大的间距则对发射性能没有显著提升，
其表面电场强度显著增强。然而，当间距较小时，尖 并且会造成衬底空间的浪费。最佳间距的选择应
端之间的电场屏蔽效应明显加剧，表现为尖端局部 在抑制电场屏蔽效应与增强局部电场强度之间取
的有效电场强度下降，进而显著降低发射电流。尤 得平衡，以实现纳米真空沟道晶体管的最佳发射性
其是在间距较小的情况下，电场屏蔽效应更加显著， 能。通过精确控制尖端间距，可以有效提升器件的
导致施加在阴极尖端表面的电场强度进一步减弱。 电流发射能力，同时避免不必要的空间浪费，从而
根据 F-N 理论及式（7），发射电流与施加电场强度 优化器件的总体性能。
7.12×10 8 130
7.10×10 8 120
（V/m） 7.08×10 8 8 发射电流/μA 110
100
7.06×10
E tip /
7.04×10 8 90
7.02×10 8 80
7.00×10 8 70
50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300 350
d/nm d/nm
（a）阴极尖端的电场强度 （b）发射电流随尖端间距 d 变化
图 4 阴极尖端间距对尖端电场和发射电流的影响
Fig. 4 The effect of cathode tip spacing on tip electric field and emission current
2.2 栅极介电层对跨导和栅极-阴极电容的影响 调控能力，还会引入不同大小的栅极-阴极电容，进
如前文所述，器件的主要工作机制基于 F-N 理 而对器件的频率特性产生显著影响。这表明，合理
论的场致电子发射。因此，在结构参数固定的情况 设计栅极介电层的材料和几何参数，对于优化器件
下，栅极和阳极施加在阴极尖端表面的电场是影响 的发射特性和高频性能具有重要意义。
器件发射电流的关键因素。对于本文讨论的背栅
跨导（g m ）是描述器件响应能力的重要参数，表
型纳米真空沟道晶体管阵列，由于栅极与阴极之间
示通过真空通道的输出电流增量（阳极电流 I a ）与
通过栅极介电层隔离，栅极介电层的厚度及其材料
通过栅极的输入电压增量（V g ）之比，其表达式为：
的介电常数显著影响栅极对阴极施加电场的强度，
进而决定了栅极电压对器件输出电流的调制能力， g m = dI a （8）
即跨导的大小，从而影响器件的发射性能。 dV g V a =constant
此外，栅极介电层不仅影响栅极对输出电流的 在背栅型纳米真空沟道晶体管中，栅极的控制
