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环栅/纳米线MOSFET被普遍认为可以推动CMOS的比例缩小直到极限。在传统的器件结构基础上,不同的工艺和材料创新被引入到环栅/纳米线MOSFET中以提高器件的电学性能,包括栅非覆盖源漏结构,沟道应力工程,高介电常数栅介质/金属栅集成或者沟道异质结如芯/壳结构等。为了理解这些创新对环栅/纳米线MOSFET电学性能的影响并最终包含到器件的SPICE模型中以辅助进行集成电路的早期设计研究,进行相应的物理效应建模或者模拟是必需的。本文研究环栅/纳米线MOSFET的物理模型和模拟。 对传统结构的环栅/纳米线MOSFET提出包含电流和电容的核心模型用以预计其电学特性。对沟道非掺杂的器件,通过静电势的求解获得以表面电势为基础的电流和端电容模型。对沟道重掺杂但全耗尽的器件,在全耗尽近似的基础上进一步考虑体反型效应,提出以电荷密度为基础的电流和端电容模型,同时兼容沟道非掺杂的情况。提出的模型与器件的三维数值模拟结果取得很好的一致。 为沟道径向异质结的锗/硅-芯/壳纳米线MOSFET提出解析的电流模型用以理解其电学行为。在对沟道静电势进行分析后提出基于漂移-扩散机制的经典电流模型,覆盖器件亚阈值和强反型的工作区域。对器件中的量子效应进行近似建模,建立该器件的弹道输运电流模型。模型预计锗/硅-芯/壳纳米线MOSFET工作于40％的弹道极限。基于静电势分析提出一种氧化硅/硅-芯/壳纳米线MOSFET,与传统环栅/纳米线MOSFET相比有更高的开关比和更弱的短沟道效应。 在环栅/纳米线MOSFET核心模型基础上讨论高阶效应的建模。为对称和非对称的栅非覆盖源漏结构的环栅/纳米线MOSFET建立亚阈值区的静电势模型,可以计算栅非覆盖区对器件短沟道效应的影响,辅助进行器件结构的设计。考虑器件中的速度饱和效应,把因子n=2的Caughey-Thomas模型与电流模型结合,建立满足Gummel对称性测试的新的速度饱和模型。 把环栅/纳米线MOSFET核心模型进行扩展,提出环栅/纳米线MOSFET与对称双栅MOSFET的统一模型理论。用独特的H因子反映两类器件的结构特性。以速度饱和为例,初步讨论在该模型框架中引入高阶效应。 对甚小半径的环栅/纳米线MOSFET中的单轴应变效应进行模拟。甚小半径的纳米线中量子效应异常显著,应用紧束缚法模拟纳米线中的能带效应,观察到纳米线直接带隙的特性及增大的禁带宽度。基于弹性定律,建立单轴应变与纳米线中原子位置的对应关系,模拟[100]和[110]纳米线的单轴应变效应。拉应力诱发应变改变[110]纳米线中电子输运的有效质量,对[100]纳米线中电子有效质量无影响。I％单轴拉应变能够提高宽度为4纳米的n型[100]纳米线MOSFET的开态电流大约30％,[110]纳米线MOSFET约80％。随着纳米线宽度减小至1-2纳米线,1％单轴拉应变引起的电流增益现象消失。