采用一种量子力学模型,研究碳纳米管场效应管(CNTFET)的电流特性。该模型基于二维非平衡格林函数(NEGF)方程和泊松(Poisson)方程自洽全量子数值解。并基于该量子模型研究了CNTFET的电学特性,讨论分析器件输运的物理机制。利用Verilog-A构建CNTFET查找表模型,基于该模型利用HSPICE研究CNTFET的电路特性。另外,基于量子模型研究了自旋场效应晶体管电学特性,并考察了自旋场效应晶体管电路特性。本文主要内容包括以下几个部分:首先,提出了一种源漏轻掺杂异质栅结构CNTFET(LDDS-HMG-CNTFET),并研究了其电学特性。结果表明,与普通碳纳米场效应晶体管相比LDDS-HMG-CNTFET具有较小的漏电流、较高的开关电流比、较大的截止频率、较好的亚阈值摆幅和较高的电压增益。其次,将LDDS-HMG-CNTFET用于多值数字电路和微脉冲产生器电路。多值电路包括三值反相器和三值SRAM。结果表明:相比于传统CMOS二值电路,三值LDDS-HMG-CNTFET电路在写延迟和平均功耗方面具有很大优势;相比于传统微脉冲产生器电路,基于LDDS-HMG-CNTFET微脉冲产生器电路,能够产生宽度更窄、高度更高的微脉冲。再次,研究了隧穿电流对电路性能的影响。结果发现,当器件尺寸变小时,栅氧化层厚度变薄导致的栅极隧穿电流指数式增大可能会导致电路操作错误。最后,研究了自旋场效应晶体管的电学特性(spinFET),并将其运用到电路中。研究发现spinFET在漏电方面比普通硅基场效应晶体管要小很多,当在DRAM设计中使用spinFET时,会提高DRAM的数据保持时间、降低延迟时间和功耗。