真空纳米三极管工作机理与普通三极管相同，电子从固体发射进入真空，在真空中传输并完成与高频场的相互作用。由于电极间距很小，即电子传输距离很小，在纳米量级，所以器件工作电压降低且对真空工作环境要求降低。

真空三极管是较早实现信号的检波、放大与调制的器件，被广泛用于无线电通信。由于受工作机理和结构工艺的限制，普通真空三极管的工作频率被限定在4吉赫以下。场发射阵列阴极的出现，使得真空三极管小型化成为可能。对微加工的栅控场发射尖锥添加外置阳极，即可形成三极管结构，如图1所示。

图1 小型化真空三极管示意图

全集成的微加工真空三极管如图2所示，其进一步将器件结构缩小到微米量级。真空微米三极管将传统真空三极管的工作电压从几千伏降低到几百伏，并可实现更高的工作频率，然而其工作环境依然要求高真空。

图2 真空微米三极管示意图

基于先进微纳加工技术，可以进一步将器件关键特征尺寸降低至纳米量级，形成真空纳米三极管。真空纳米三极管因其微纳加工特性，与传统真空器件甚至真空微米三极管相比，其特点主要有：①电子弹道输运，器件的电极间距很小，接近或小于大气中分子的平均自由程数值（约60纳米），器件即使工作在大气状态，电子在传输过程中也基本不与气体分子发生碰撞。②工作电压低，器件的电极间距很小，仅需几伏电压，就可在发射极表面诱发很强电场，形成场电子发射。器件工作电压一般小于气体分子第一电离能，即使电子和气体分子发生碰撞，气体分子也基本不电离。③不要求高真空，器件电极间距小、工作电压低，即使工作在低真空或大气状态，也不易发生粒子碰撞、气体放电和电弧损伤。④要求先进加工技术，根据菲涅耳光学衍射极限理论，传统光刻技术已无法很好满足器件几十纳米特征尺寸加工，需要采用分辨率更高的聚焦离子束刻蚀、电子束光刻、纳米压印和极紫外光刻等先进技术。⑤出现新型器件结构，器件不再采用场增强常见的尖锥型发射体。原因之一是随着器件的缩小，电极间距相对于电极形状对于场增强的贡献更大；其二是制作微尖锥的工艺流程，已经不能很好满足纳米级特征尺寸的加工要求。

比较常见的真空纳米三极管结构分为两类：平面型结构和垂直型结构。平面型结构工艺和传统微电子工艺高度兼容，可以使用先进微纳加工技术实现；垂直型结构则是依靠可以精确控制的薄膜厚度，实现电极间距的精确控制。

平面背栅型真空纳米三极管结构如图3所示。三极管中纳米间隙是阴极和栅极之间的绝缘层薄膜，以及阴极到阳极之间间距，阴极电子首先被绝缘层隔绝的栅极引出至真空，而后在阳极电压下加速至阳极。

图3 平面背栅型真空纳米三极管结构示意图

垂直型真空纳米三极管结构如图4所示。三极管中纳米间隙都是阴极和栅极之间，以及栅极和阳极之间的绝缘层薄膜控制，阴极电子首先被栅极引出至真空，而后大部分电子在阳极电压下加速至阳极。

图4 垂直型真空纳米三极管结构示意图

真空纳米三极管结构本质是真空电子器件，与固态三极管相比，其主要特点为：①器件基于场致电子发射原理，涉及电子从固态到真空的逸出过程，以及影响此过程的界面状态和表面态。②电子在真空中传输，电子在行进过程中不受碰撞，理论上电子可以实现接近相对论的速度，即便在受限的空间及受限的加速电压下，电子传播速度相对固态器件也有数量级的优越。③电子运动速度快，击穿场强大，没有电子碰撞晶格产生热量，金属电极散热效果好，因而可以实现很高功率。④器件不存在半导体中禁带间激励电子泄漏电流随温度升高问题，理论上可以耐受很高温度。⑤器件不存在半导体中由于辐射感应的缺陷，不会散射和俘获电子，因而能够耐受强辐射环境干扰。

真空纳米三极管本质上是一种微加工、可集成的真空电子器件，具有高速度、耐高温和抗辐射的特点。由于其电子传输距离极短，理论上可以无须传统真空器件的高真空密封，在低真空甚至大气状态环境实现电子输运无碰撞正常工作，具有很好的综合优势。其潜在应用主要在于高速逻辑器件单元，以及拟用于实现真空集成电路。

真空纳米三极管要达到实用化需要关注的问题主要有：①理论基础。器件功能实现主要集中在纳米间隙范围，超微结构对于污染吸附和蒸发的耐受尚需研究，纳米间隙的电子发射是否完全符合经典Fowler-Nordheim方程尚需验证。②工艺兼容性。在真空器件中实现纳米级特征尺寸，需要使用先进的微纳加工技术并需要考虑兼容性设计。③工作环境。理论上的大气工作环境并不是简单暴露，考虑外界因素对器件表面态及电子发射的影响，还需设计一个洁净、稳定和易得的工作环境。④性能参数相互制约。器件结构设计和工作电压会影响到反应速率、功率和可靠性等诸多性能，其间存在矛盾和制约，需要协调考虑，或依据实际应用场景进行侧重。