当关键场效应管的尺寸缩减到100nm区域以下,量子力学效应开始凸显并显著改变了器件的物理特性,使得器件的功能性与可靠性变得愈加复杂。在这种情况下,传统的玻尔兹曼输运方程以及在其基础上建立的经典器件模型将不再适用。因此,对纳米尺度半导体器件的性能预测需要一套全新的理论方法与模拟技术来准确而有效地研究纳米器件背后的量子效应。本文中,我们提出了一种基于经验赝势哈密顿量来研究纳米尺度金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET)的三维全量子力学原子论方法。我们运用能够求解百万原子系统的应变体带布洛赫态线性组合(SLCBB)方法求解器件区域的薛定谔方程得到系统的电子态,然后通过两种输运模型得到器件区域的占据电荷密度和净电流,进而与泊松方程耦合进行自洽求解。第一种输运模型使用一种与位置相关的局域准费米能级来统计系统中的载流子浓度和构造沟道电流；第二种输运模型是基于弹道输运的物理图像,通过一种势垒顶部波函数分解的方法来从定态波函数中提取类散射波,进而够造出器件中的载流子浓度和弹道/隧穿电流。与该研究领域中的其他方法(例如紧束缚近似-非平衡格林函数方法)相比,我们的方法大大降低了计算时间同时又不失准确性。最后,我们运用上述全量子力学方法研究了纳米尺度半导体器件中的量子力学效应。(1)研究了25nm沟道场效应管中随机离散杂质引起的阈值降低和涨落。不同于密度梯度模型给出的结果,我们的量子力学模型预测的随机离散杂质导致的阈值降低比半经典模型的结果更小,我们认为这是由于量子限制效应在一定程度上减少了随机离散杂质分布引起的局域电荷。另外,我们的计算结果表明量子力学效应加剧了随机离散杂质引起的器件阈值涨落,这是由于量子限制效应使得器件的等效氧化物厚度增大,从而使得器件的阈值对离散杂质的随机分布更加敏感。(2)研究了超薄沟道双栅器件中的量子限制效应引起的能谷劈裂。由于不同能谷中的电子在量子限制方向上的有效质量不同,量子限制效应对不同能谷中的电子的影响有所差别,因此超薄沟道器件中的载流子浓度和电流存在比较大的能谷劈裂。对此我们给出了一个5nm的关键尺寸,低于这个尺寸,器件设计中必须考虑明显的量子限制效应。我们当前的工作显示,用精确的经验赝势哈密顿量模拟全量子力学器件是必需的也是可能的,我们的理论方法提供了一种在个人电脑上模拟近百万原子纳米器件量子力学效应的途径,我们的研究结果可以为纳米尺度半导体器件的设计提供理论支持。