摩尔定律延续至今,集成电路一直按照每18-24个月就容纳两倍元器件的规律发展,芯片的集成度越来越高。伴随着器件的特征尺寸越来越小,量子效应带来的影响逐渐凸显出来,亟待从器件工艺和新材料应用两个主要方向探索未来电子行业的发展。自2004年石墨烯被成功剥离以来,便以其优异的平面结构和电学特性成为近年来的研究热点,例如石墨烯场效应晶体管、柔性显示、太阳能电池、传感器和超级电容器等,显示出了巨大的应用潜力。石墨烯拥有超高的电子迁移率、低电阻率,优异的导热性和透光率,还是强度特性十分优异的材料,通过切割大片石墨烯或者碳纳米管、先驱物合成法等方法可以得到条形石墨烯纳米带(GNR),从而打开石墨烯带隙,使其成为具有夹断功能的优异的器件沟道材料,其带隙与纳米带宽度成反比。虽然基于石墨烯的电子器件离应用还有很长的一段路要走,但是在这期间,基于理论和现实输运场景的仿真计算必不可少,一方面可以探索新材料、新器件的各项特性,一方面可以通过计算结果分析器件的性能,因此,本论文正是出于探索石墨烯器件特性与功能应用的目的进行的仿真工作。石墨烯能带结构和调控手段的多样性使其伴随着许多有趣的效应,其中负阻效应便是一种很重要的物理现象。具有负阻效应的晶体管可以构建多值逻辑电路。多值逻辑可携带的信息密度高,并可以有效解决集成电路芯片上越来越多的互联线带来的寄生和封装问题。本文首先基于紧束缚模型下的非平衡格林函数,利用仿真平台NanoTCAD计算了以不同宽度的GNR所组成的异质结结构为沟道的场效应晶体管,利用了不同宽度GNR禁带带隙不同的特点,通过窄-宽-窄的GNR构成宽-窄-宽的能带结构,从而构成量子阱。通过对器件结构的各项参数的调控和仿真,基于共振隧穿原理,设计了一种可以形成多负阻电流的GNR-FET。然后以能带结构、局域态密度、传输谱和电流谱相互叠加的方式解释负阻电流的输运机制,并分析了器件的电容和边缘粗糙度对器件性能带来的影响。最后以双负阻GNR-FET为基础,基于单稳-多稳转换基本理论设计了三值反相器,反相器是基本逻辑门电路的组成之一,它的实现是完整三值逻辑实现的基础,并通过SPICE平台进行模拟仿真验证了其功能的正确性。本文的特色主要在于研究了负阻领域中获得较少关注的多负阻器件,并且结合了石墨烯这一新型平面材料,结合石墨烯纳米带优异的电学特性和多负阻电流所携带的高密度信号,设计出可以简化电路、完成复杂逻辑功能、减少互联线的多值逻辑基本单元,为完整的基于多负阻器件的多值逻辑电路奠定理论基础。在电子行业面临高度集成、高损耗以及器件特征尺寸到达物理极限的今天,将基于低维材料的纳电子器件与多值逻辑结合,希望可以提供体积小、性能优异、高效率和低功耗的解决方案。