MEMS 真空场发射三极管
本文提出一种基于静电吸合效应实现真空间隙主动调制的自对准 MEMS 场发射三极管，借助多物理场耦合仿真手段系统研究该器件的机电耦合行为与场发射性能。传统纳米真空电子器件普遍面临发射极‑栅极对准难度大、电极间隙固定无法动态调控的问题，多次光刻对准不仅提升工艺复杂度，还会引入尺寸偏差劣化发射性能；同时常规器件电极间距固定，运行过程中不能动态优化电子发射条件，制约器件性能进一步提升。而 MEMS 静电吸合效应以往大多被视作应当规避的失效现象，本文将该不稳定效应转化为功能性调控机制，利用静电吸合实现阴极‑阳极真空间隙的动态可调，为解决上述难题提供新思路。 本文构建带位移控制延拓算法的三维静电‑力学耦合仿真模型，用于精准求解器件的吸合‑释放迟滞响应，规避传统电压扫描方式在吸合临界点处出现的数值发散问题，完整获取包含稳定分支与非稳定分支的平衡位移曲线。仿真结果表明，器件的吸合电压为 10.16 V，释放电压为 4.36 V，存在明显的机电迟滞特性；随着栅极电压升高，悬臂阴极发生弹性形变，阴极‑阳极之间的真空间隙可以由约 55 nm 主动压缩至 10 nm。间隙减小会显著提升发射尖端的局部电场集中效应，依据 Fowler‑Nordheim 场发射隧穿机理，局部电场增强会大幅提升电子隧穿概率，最终实现场发射电流显著增强。在阳极电压 15 V 条件下，器件处于吸合临界状态时阳极电流仅约 6 μA，进入吸合状态之后阳极电流提升至约 68 μA。 本文还对吸合前状态下器件的栅控场发射转移特性开展分析，结果显示在吸合阈值之前，栅极电压可以通过驱动悬臂发生机械形变改变真空间隙，进而有效调控场发射电流；结合跨导与栅极寄生电容完成理论截止频率估算，证明该器件具备 GHz 级的高频工作潜力。本文进一步探究悬臂厚度、初始电极间隙两类关键结构参数对吸合、释放特性的影响规律：增大悬臂厚度会提升结构机械刚度，使吸合电压与释放电压同步升高，但吸合临界位移几乎保持不变；增大初始栅‑阴极间隙，会造成静电耦合作用减弱，吸合电压、释放电压以及临界位移均随之增大。两种参数均可以用来灵活调节器件工作电压窗口与迟滞区间。上述仿真结果证实，静电吸合效应可以作为真空间隙的主动调控手段，无需依赖复杂的对准结构就能够实现机械可调的场发射输出，为自对准、可动态调控的真空微电子器件的设计提供理论支撑。
