碳基纳米材料,包括石墨烯和碳纳米管,具有极其优异的射频电子学性能,可用来实现高性能的射频场效应晶体管及电路.其超高的迁移率和饱和速度,决定了它们可以有很好的射频响应速度.基于石墨烯和小带隙碳纳米管的场效应晶体管都可实现典型无关态的双极性输运特性,这种双极性输运特性很适合模拟电路的应用.在本文中,我们主要研究了基于石墨烯和碳纳米管的双极性场效应器件,以及在此基础上构建的射频电路,并探索了相关的应用.　　为了对碳基场效应晶体管的栅效率进行优化,我们引入了可以在碳纳米管和石墨烯表面直接生长的高质量氧化钇介质.在生长高κ介质时不再需要对碳基材料表面做任何特殊处理.整个工艺仅需沉积几纳米金属钇,之后在热板上进行热氧化.采用5 nm氧化钇在碳纳米管场效应晶体管中实现了60 mV/dec的亚阈值斜率,这是室温下的理论极限值.同时,将高质量的氧化钇引入到石墨烯顶栅场效应晶体管中,实现了1,200 nF/cm2的顶栅电容,所得到顶栅效率是底栅的100多倍.　　基于高质量的氧化钇项栅介质,我们实现了高性能的顶栅射频晶体管,并基于此构建了高效率的顶栅石墨烯倍频器.由于顶栅结构本征的低寄生电容,顶栅倍频器的增益和之前底栅结构相比提高了10倍.同时,倍频器的工作频率与底栅结构相比提高了20倍.此外,利用高效率的氧化钇介质,在机械剥离和化学气相沉积生长的石墨烯上均实现了截止频率和最高振荡频率可达GHz的射频晶体管,同时在百MHz频段实现了倍频功能.　　利用小带隙碳纳米管,实现了双极性的高速场效应晶体管,其载流子迁移率高达18,300 cm2/V·s基于近乎完美的双极性晶体管构建了高效的倍频器.精确的频谱分析表明95％的输出信号功率都集中在二倍频,同时具有0.15的增益,为目前碳基倍频器的最高增益.此外,通过改变输入信号的直流偏置电压,可使电路在倍频器模式,同相放大器模式,以及反相放大器模式之间简单地切换,由此得到了多功能的射频电路.由于碳纳米管场效应晶体管中很容易实现电流饱和,我们在多功能电路中得到了真正具有电压增益的交流放大器.　　最后,基于晶圆级石英上的碳纳米管平行阵列,构建了双极性场效应晶体管,并实现了高性能双极性微波电路,包括微波倍频器和混频器.其工作频率可达40GHz,远远超过了所有碳基倍频器和混频器高速电路工作时的频率.石英衬底不仅提供了碳纳米管直接生长的基底,同时还作为绝缘衬底有效地降低了衬底寄生效应.另外,石英衬底在金属型碳纳米管中诱导出的带隙也至关重要,意味着金属型碳纳米管也可参与信号处理,不需手性选择就可利用直接生长得到的碳纳米管阵列制各射频器件和集成电路.这为规模制备以碳纳米管为基的高端商用射频电路提供了一个解决方案。