This Ph.D. thesis focuses on the high-frequency electrical capabilities of the carbon-nanotube, field-effect transistor (CNFET). The thesis can be categorized into three stages, leading up to an assessment of the RF capabilities of realistic array-based CNFETs. In the first stage, the high-frequency and time-dependent behavior of ballistic CNFETs is examined by numerically solving the time-dependent Boltzmann transport equation (BTE) self-consistently with the Poisson equation. The RF admittance matrix, which contains the transistor’s y-parameters, is extracted. At frequencies below the transistor’s unity-current-gain frequency fT, the y-parameters are shown to agree with those predicted from a quasi-static equivalent circuit, provided that the partitioning factor for the device charge is properly extracted. It is also shown that a resonance behavior exists in the transistor’s y-parameters. In the second stage, non-quasi-static effects in ballistic CNFETs are examined by analytically developing a transmission-line model from the BTE and Poisson equation. This model includes nonclassical transistor elements, such as the "quantum capacitance" and "kinetic inductance," and it is shown to represent the intrinsic (contact-independent) transistor’s behavior at high frequencies, including a correct prediction of the resonances in the y-parameters. Moreover, it is shown that the kinetic inductance can be represented using lumped elements in the transistor’s small-signal equivalent circuit, and it is demonstrated that the resulting circuit is capable of modeling intrinsic CNFET behavior to frequencies beyond fT. In the last stage, by building upon the first two stages, a comprehensive study is performed to assess the RF performance potential of array-based CNFETs. First, phonon scattering is incorporated into the time-dependent BTE to study the impacts of collisions on different aspects of intrinsic CNFET operation, including the intrinsic fT and the small-signal equivalent circuit. These results are then further extended by adding the effects of extrinsic (contact-dependent) parasitics and then examining the behavior of key RF figures of merit, such as the extrinsic fT, the attainable power gain, and the unity-power-gain frequency. The results are compared to those of state-of-the-art high-frequency transistors and to the next generation of RF CMOS, and they provide an indication of the potential advantages of array-based CNFETs for RF applications. / Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) and Nanosystems

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Cette thèse est dédiée à la résolution numérique tridimensionnelle des équations de Maxwell harmoniques, par des méthodes de décomposition de domaine couplant des résolutions par équations intégrales entre elles. Pour traiter les problèmes de diffraction d'ondes, la méthode des équations intégrales est un outil précieux. Elle consiste à paramétrer le champ électromagnétique solution par une source définie sur la surface de l'objet diffractant, solution d'une nouvelle équation linéaire (l'équation intégrale). Pour des applications à haute fréquence, le grand nombre d'inconnues (de l'ordre du million) nous oblige à utiliser un solveur itératif pour résoudre l'équation intégrale. Le problème du conditionnement des systèmes linéaires est alors crucial. De récents développements ont permis de construire une équation intégrale performante (la GCSIE) et de conditionnement stable avec la montée en fréquence. Cependant, la présence d'une cavité large et résonnante dans l'objet diffractant (telle que la cavité moteur d'un avion) dégrade le conditionnement de cette équation. Nous proposons deux méthodes de décomposition de domaine (DDM) afin de découpler le problème de la cavité du problème extérieur. La première (DDM en Y) s'exprime en fonction des opérateurs Dirichlet-to-Neumann Y, qui sont synthétisés via la résolution de problèmes métalliques par équations intégrales dans chaque sous-domaine. La seconde (DDM en S) s'exprime en fonction des opérateurs de scattering S, synthétisés par résolution de problèmes de type métal-impédant, donc bien posés à toute fréquence. La DDM en S permet ainsi de se débarrasser des phénomènes de résonance dans les cavités. Nous proposons dans un premier temps un préconditionneur analytique pour la DDM en Y, basé sur l'opérateur électromagnétique de simple couche. Nous calculons ensuite les modes guidés le long d'un cylindre infini tangent à la cavité près de l'interface, et nous diagonalisons les opérateurs Dirichlet-to-Neumann et scattering dans la base des traces de modes guidés sur l'interface. On extrait de cette étude deux préconditionneurs spectraux respectivement pour la DDM en Y et la DDM en S. Les résultats numériques confirment l'efficacité des préconditionneurs proposés / This work is dedicated to the numerical solution of the tridimensional harmonic Maxwell equations, using domain decomposition methods coupling integral equations between them. To deal with scattering problems, integral equations methods are a precious tool. They allow to look for the electromagnetic field by parameterizing it with a source only defined on the boundary of the scattering object, solution of a new linear equation (the integral equation). For applications at high frequency, the great number of unknowns forces the use of iterative methods. To accelerate the solution of integral equations, one moreover has to ensure the good condition number of the linear systems, or to propose well-suited preconditioners. An efficient method, the GCSIE, was developed in Onera. It is an intrinsically well-conditioned integral equation whose condition number remains stable whith the frequency increase. However, the existence of large and resonant cavities (such as air intakes) deteriorates the condition number. In order to circumvent this problem, we propose two domain decomposition methods (DDM) allowing to decouple the exterior problem from the problem of the cavities. The first one (Y-DDM) is based on Dirichlet-to-Neumann operators Y, which are built through the solution of metallic problems using integral equations in each subdomain. The second one (S-DDM) is based on scattering operators S, built through the solution of problems of metallic-impedant type, which are well-posed at any frequency. The S-DDM allows to avoid the resonance phenomena inside the cavities. First, we propose an analytic preconditioner for the Y-DDM, based on the electromagnetic single layer operator. We then calculate the modes guided along an artificial infinite cylinder, that is tangent to the cavity near the interface. We diagonalize the Dirichlet-to-Neumann and scattering operators in the basis of the traces of the guided modes on the interface. We deduce from this study two spectral preconditioners for the Y-DDM and the S-DDM. The numerical results confirm the efficiency of the employed preconditioners.