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在傳輸過程中因電子不會與環境內的空氣粒子發生碰撞所以較不容易有散射的 可能，在速度方面上更是優於固態電子元件(場效應電晶體) [1]，而操作於極端環 境中(如高溫和暴露於輻射中)，真空元件壽命和耐用度皆比固態元件長久。本研 究希望透過現今的半導體技術進行製作，將真空元件的陰極與陽極通道距離縮小 至奈米等級，以實現兩種元件的不同優勢。
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4 發射原理(thermionic emission )將陰極原子加熱至激態再藉由負電壓將電子發射 至陽極。在1904年時，最早的真空管為 John Ambrose Fleming 所發明的二極管 [15]，其結構由一個陰極和一個陽極所組成，當陰極加熱後陰極中的電子會激發，
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子移動率比固態元件更高，所以真空管目前仍應用在很多高頻及高功率的設備上。
圖1-3-1真空二極管示意圖 圖1-3-2真空三極管示意圖
6 體(point contact transistor) ，後在1954年才開始改用矽半導體作為主要材料，此 後各式各樣有關電晶體的應用和改良被大量研究。電晶體具有控制電流大小和電 子流動方向的特性，且藉由接點施加電壓，對電晶體中的電阻進行調變及控制，
可改變通過電阻的電流，使電晶體可應用在放大訊號的領域，往後20世紀更是有 了積體電路(integrated circuit, IC) 的發展，將數量龐大的電子元件組合於矽晶圓 中，不但可大幅提升單位面積的元件數量同時也降低傳統大型電路的生產成本，
藉此應用於當代社會常見的電子產品中。電晶體是一種類似於閥門的固態半導體
元件，可以用於開關、放大、穩壓、訊號調變和許多其他功能。而電晶體主要分
為兩大類，分別為雙極性接面型電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)和場效 應電晶體(Field Effect Transistor，FET)，由半導體材料製作而成，一般皆有三個 電極：集極(Collector)、射極(Emitter)、基極(Base)，其中基極(Base)為控制極，
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場效應電晶體是一種通過電場效應控制電流的電子元件，依靠電場去控制導電通 道的形狀，因此能控制半導體材料中某種類型載子的通道導電性。其中又以金氧 半場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）最 為常見，且作為現今數位積體電路中的重要元件。金氧半場效電晶體只要由三個 短通道效應(Short channel effect)，通道長度縮短時，閘極所能控制的區域電荷減 少，造成臨界電壓降低(Threshold Voltage Roll-off)，以及對短通道而言，汲極電 壓從線性區增加到飽和區時，汲極能障下降(Drain-Induced Barrier Lowering，
DIBL)，會造成元件的貫穿崩潰(Punch Through Effect)，使閘極失去控制元件的 能力[16]。為了克服元件尺寸持續微縮所產生之問題，近年來有非常多研究發展 出立體結構的鰭式場效應電晶體(FinFET) ，有別於一般場效應電晶體通道結構，
屬於多重閘極元件，將通道向上拉出增加通道的截面積，增加閘極可控範圍，即 可降低漏電流產生和增加開關速度，近代已成為科學研究的發展主軸。
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1-5 論文架構
本論文以有限元素軟體模擬場發射真空通道電晶體之帶電粒子拋射情形，最後 進行元件的實作及測量並探討非對稱電極圖案對元件之影響。
第一章: 緒論。
第二章: 說明奈米大氣通道元件及電子發射相關理論。
第三章: 奈米大氣通道二極體的實驗設計及實驗儀器。
第四章: 模擬與量測數據結果。
第五章: 實驗結果歸納，推斷元件的特性及未來展望。
9 在一般大氣壓力下量測也能被視為在真空環境，可稱為奈米大氣通道(Nano scale airchannel, NAC)，奈米大氣通道電晶體改善了傳統真空管需要透過陰極加熱所浪 費的能量損失，因其發射機制從原本的熱發射(thermionic emission )轉變為場發射 (field emission )，由於電場強度與兩極的距離成反比，所以場發射的操作電壓可 以藉由通道距離縮小而降低， 一旦發射電壓低於空氣分子的電離電位[20]，元件 就可以不必仰賴真空條件而進行量測。由於電子在真空通道中不會發生散射， 且 電子在真空中的理論速度接近光速 3×108 m / s，在半導體中約為 5×105 m / s，