电子在半导体沟道内的输运难免产生碰撞和散射,限制了迁移速度、带来了能量耗散,是需要利用新概念和新工艺解决的瓶颈问题。通过制备特征尺寸小于电子在大气中平均自由程的真空态纳米间隙结构,电子在没有真空封装的条件下也能实现弹道输运,有效地提高了集成电路器件的工作频率、降低了功率损耗。对于这种新型的器件形式,在器件设计、电流调制机制和电路应用等方面需要大量的研究工作。本论文基于平面型背栅纳米间隙结构,对真空纳米间隙晶体管的制备方法及其电学特性进行研究。通过研究影响器件电子发射特性与栅极调制特性的主要因素,本论文总结了器件优化的一般规律,并提出合适的理论模型为器件设计提供支撑。最后进行了将真空纳米间隙器件应用在功能电路中的尝试,为器件的进一步发展提供了研究方向。本论文取得的主要研究成果如下:（1）验证了漏极电流源自场致电子发射,据此设计了高曲率叉指状阵列的源极结构,实现了低驱动电压、高漏极电流的真空纳米间隙晶体管器件。（2）通过器件物理模拟证实了栅极介质层厚度参数与器件亚阈值摆幅间的对应关系,确定了降低栅极介质层厚度以提高器件转移特性的设计思路。据此对器件进行了优化和测试,通过高k值栅极介质层和图案化栅极的制备,同时实现了栅极泄漏电流的抑制和栅极调制性能的增强。（3）分析了器件工作时栅极电压对沟道内部电场的影响,指出仅基于真空电子学理论的器件机理存在不足,补充了基于半导体物理学和固体物理学的器件工作机理模型,较好地解释了器件实测性能表现,为器件设计提供了理论支持。（4）研究了基于真空纳米间隙晶体管的反相功能电路性能,测试了真空纳米器件反相电路,并分析出电路失效的原因。