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298 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

秀的高频特性，使其在射频、太赫兹领域有较大的 压增益的 A v 表达式：
应用潜力。目前对 NVCTs 的研究还停留在器件的  ( )
 1 1
 //
 v out = −g m
结构优化和场发射材料的选择等方面，为了进一步  //R ac //R L


 jwC 2 jwC ac ) （11）
推动此类器件在高频、射频领域的发展，需要构建  v out ( 1 1



 A V = = −g m // //R ac //R L

基于纳米真空沟道晶体管的高频小信号等效电路  v in jwC 2 jwC ac
模型。基于纳米真空沟道晶体管的工作原理及特 式中： j 为虚数单位；ω 为角频率。
性，构建了基于纳米真空沟道晶体管的两类高频小
C ag
信号等效电路模型——共阴极高频小信号等效电 G A
路和共栅极高频小信号等效电路。 C ac
R s g m V gc R ac R L v out
在固态器件中，共发射极/源极是最主要的小 +
v in − C gc R gc
信号等效电路配置，在这类配置中，高频小信号从
C
栅极馈入，从集电极/漏极输出。参考固态器件，结 （a）共阴极高频小信号等效电路模型
合 Fowler-Nordeim（F-N）理论，在输入电压的作用 G A
下，输出电流的表达式为： C 1 C 2 C ac
R s
[ ] 2   R ac R L v out
) V ac

Aαβ 2 ( V gc ±v in +  3  v in + − C gc R gc g m V gc





µ  Bdφ 2 






I ac = exp − [ ] C
d φ  
2


v  ( ) V ac  （b）分解 C ag 后的共阴极高频小信号等效电路模型
 β V gc ±v in +



 
 µ 
（10） 图 7 共阴极高频小信号等效电路图
式中：v i 为输入的交流电压；φ 是阴极的功函数。 Fig. 7 The equivalent circuit diagrams of the common cathode
n
共阴极（Common-cathode）高频小信号等效电 high-frequency small-signal
路图如图 7（a）所示，其中 R s 为高频电压源内阻；C gc 、 在固态器件中，还有一类共栅极配置（Common-
C ag 、C a 分别为栅极与阴极间的极间电容、阳极与 gate），其主要原理是将栅极作为公共端，在设定好
c
栅极间的极间电容、阳极与阴极间的极间电容；R gc 、 直流偏压后，信号从发射极/源极馈入，从集电极/漏
R a 分别为栅极与阴极间的电阻、阳极与阴极间的 极输出。参考此类配置，同样可以构建基于纳米真
c
电阻。由于 C a 同时跨接在输入和输出端，可以等 空沟道晶体管的共栅极高频小信号等效电路模型，
g
效为米勒电容，进而可以分解为 C 1 和 C 2 。图 7（b） 栅极充当控制电流的关键节点，阴极则作为电流的
为 C a 分解后的共阴极高频小信号等效电路。 输入端，阳极则作为电流的输出端。根据 Fowler-
g
通过分析图 7（b），可以得到输出电压 v ou 和电 Nordeim（F-N）理论，其电流表达式为：
t
[ ] 2  
( ) V ac ±v in  


Aαβ 2 V gc ±v in +  


µ  Bdφ 2 3 






I ac = exp − [ ]  （12）
d φ  ( ) V ac ±v in 
2



v

 β V gc ±v in + 


 
 µ 
由式（12）可得：输出电流 I a 受输入电压 v i 对 共栅极高频小信号等效电路如图 8（a）所示。
n
c
栅极-阴极电压 V g 和阳极-阴极电压 V a 的协同调 此外，由于输入电压同时影响 V g 和 c V ac ，模型可以
c
c
制作用。为进一步量化这些电压差对输出电流的 进一步简化为图 8（b）所示的形式。此时，两个跨
调制作用，定义跨导 g m 和 1 g m2 ，分别表征栅极-阴极 导参数 g m 和 1 g m 可以合并为一个等效跨导 g m ，其
2
电压变化和阳极-阴极电压变化对阳极电流的影响 中 g m 表达式为：
程度。其表达式分别为： ∂I A
g m = （14）

 = g m1 +g m2

 ∂v in
 ∂I A
 g m1 =



 通过对图 8（b）电路图的分析，可以得到其输
 ∂V gc V ac =constant

（13）


 入电阻 R in 、输出电阻 R out 、输出电压 v out 、电压增益
 ∂I A
 g m2 =




A v 的表达式：
∂V ac V gc =constant