1-4.1 高頻背景知識介紹高頻背景知識介紹高頻背景知識介紹高頻背景知識介紹
S 參數(Scattering-parameters)與網路分析儀(Network analyzer)現在普遍 被用於元件高頻電性量測分析，由 S 參數示意圖(圖 1-10 中所示)[43]可清楚 看出四大參數(S11、S12、S21、S22)基本定義。在符合雙端模型(Two-port model) 元件的 1 號端(Port-1)輸入(Incident)一訊號，然後在同一端量測反射(Reflect) 回來的訊號強弱，然後分析反射回來的訊號與輸入訊號的比例即為所謂的
察同一端的反射訊號。但若是在 1 號端輸入訊號，然後在 2 號端量測透射 (Transmit)訊號，然後再分析透射訊號與輸入訊號的比例即為所謂的 S21，同 理 S12也是一樣的原則，只是輸入訊號是由 2 號端輸入然後觀測 1 號端的透 射訊號，之後就可以進行四大參數的分析與探討，另外也可以將量測完的 S 參數透過參數轉換(圖 1-11)[44]，即可求得其它參數來進行其它分析。
在進行元件高頻量測之前，要先做過校正(Calibration)程序以扣除量測 儀器、線路與系統之間的雜訊干擾，以避免量測元件時發生雜訊干擾以影 響量測的準確值。因為探針點針的區域往往佔了不小面積，其拉線長度也 相當可觀，也就造成額外的寄生效應(Parasitic effects)，所以使得量測到的 元件特性不如預期，為了使量測數據更接近於元件的本質特性(Intrinsic characteristics)，所以在量測後都會透過去嵌入(De-embedding)程序將寄生 效應扣除以求得元件的本質特性。
1-4.2 奈米碳管電晶體高頻應用之研究發展奈米碳管電晶體高頻應用之研究發展奈米碳管電晶體高頻應用之研究發展奈米碳管電晶體高頻應用之研究發展
在 2004 年，由 Peter J.Burke 教授指導的研究團隊發表了奈米碳管電晶 體的高頻量測論文[45]，由圖 1-12，我們可以清楚看出其團隊設計一個外接 LC 電路與背閘極電晶體形成一個共振器(Resonator)，然後量測並觀察其 S11
對頻率的關係，結果發現共振器在 2.6GHz 會形成共振而使 S11驟降，這也 是首度有人利用量測數據佐證碳管電晶體可以操作在高頻區域。同年，該 團隊繼續發表了一篇振奮人心的論文，其團隊利用理論計算推估碳管電晶 體具有在 THz 以上操作的能力[46]。此後，對於碳管電晶體在高頻領域部 份的特性研究持續發展，相關論文也陸陸續續地被發表。其中對於碳管電 晶體的高頻特性較多著墨與評斷特性好壞部分，主要關注在截止頻率 (Cut-off frequency,fcut-off)與最大穩定增益(Maximum stable gain,MSG)兩個參 數指標上。
所謂的 f 就是將所量測到的 S 參數透過轉換函數來得到 H 參數，之
後再觀察 H 參數中的︱H21｜絕對值大小與頻率關係，當︱H21｜降低到 0dB 時的頻率即為所謂的 fcut-off。可以由定義中清楚看出來︱H21｜=｜Y21/Y11｜
=｜Iout/Iin｜，所以︱H21｜就是所謂的電流增益(Current gain)，當電流增益為
“1”(0dB)的時候，此電晶體就沒有電流放大的能力，所以研究就希望奈米碳 管電晶體的 fcut-off能夠越大越好。
另外一項指標就是 MSG，其中 MSG=｜S21/S12｜。MSG 可以解讀為功 率增益(Powewr gain)，所以觀察 MSG 與頻率關係圖時，當 MSG 為
“1”(0dB)，操作在此頻率的電晶體就沒有功率放大的能力，所以也是希望電 晶體的 MSG 操作頻率能夠越高越好。
在 2005 年，第一篇以點針方式進行奈米碳管電晶體高頻量測的論文被 發表[42]，其 fcut-off在去嵌入後可達 2.5GHz，MSG 交於 0dB 的頻率點則大 於 5GHz。以往奈米碳管電晶體可達 105~106甚至更高的電流開關比，在此 篇論文中卻只有 103，仔細探究其內容，可以發現此論文電晶體結構佈局是 採用多指狀(Multi-finger)結構(如圖 1-13)，其驅動電流(On current)高達 50µA 以上，所以可知其是利用多根碳管跨接源極/汲極來解決以往單根碳管驅動 電 流 過 小 的 問 題 。 因 為 高 頻 量 測 時 ， 量 測 儀 器 的 阻 抗 匹 配 (Impedance matching)為 50Ω，所以以往可達高電流開關比的碳管電晶體當進行高頻量 測時，就會因為阻抗不匹配而造成量測困難甚至是數據錯誤的狀況發生。
所以要解決高頻量測時阻抗不匹配所造成的困難，必須將電晶體的電流增 大使其阻抗可以匹配，所以此論文就藉由多根碳管跨接源極/汲極的方式來 達到高電流的目的。但也因為多根碳管的跨接，所以勢必無法避免金屬性 碳管，所以電晶體的電流開關比也就大幅下降，但直流特性的犧牲下，也 換來了高頻量測的特性展現。但是該論文作者也提到其電晶體的阻抗也非 完全匹配，所以就造成 S 參數量測數值都偏小。所以之後除了採用多指狀 想法外，也透過在碳管旋塗之前晶面表面的化學處理將直流電流提升到 mA
等級，以解決高頻量測時阻抗不匹配的問題[47]，但也因為太多金屬性碳管 的存在，所以使得其電晶體的電流開關比下降至 2 的狀態，但其 fcut-off卻可 提高至 8GHz，MSG 也提升至 10GHz 以上。近幾年的奈米碳管電晶體高頻 研究走向就朝向提升更高的 fcut-off以及更高的 MSG[48] [49] [50]。
目前奈米碳管電晶體的高頻特性與理論計算相較下，仍然差異懸殊，
這主要是因為寄生效應以及本身電晶體電容太大所造成的影響，所以要解 決此問題勢必要將結構佈局重新再做修改與設計，以提升高頻特性。另外 也要注意到的就是目前的研究一旦追求好的高頻量測特性，就勢必要犧牲 直流特性，所以下個要解決的研究方向就是如何在提升高頻特性外也兼顧 到好的直流特性。