近年来,MOS器件小尺寸效应的建模与仿真技术日趋得到了学者们的广泛重视。其中,短沟道效应、窄沟道/反向窄沟道效应成为研究的重点,但现有的一维和二维模型难以准确表述它们之间相互耦合的关系,有必要进行三维建模。本文首先基于求解三维泊松方程,建立了小尺寸MOS器件的三维表面势场分布的解析模型。该模型能够很好体现深亚微米和纳米MOS器件的三维小尺寸效应。进而结合解析模型和三维半导体器件仿真软件,深入研究了器件结构参数和外加偏置电压对表面势场分布的影响,模拟结果和解析结果的一致性证实了模型的正确性。然后,建立了一个新的小尺寸MOS器件的阈值电压模型,并借助该模型和三维半导体器件仿真工具,研究了小尺寸MOS器件的短沟道效应、窄沟道效应和反向窄沟道效应,以及它们之间的耦合效应,并讨论了窄沟道效应和反向窄沟道效应的临界条件,以及模型在大尺寸器件中的适用性。此外,还考虑了漏电压的影响,并对阈值电压的解析模型进行了修正,重点研究了漏致势垒降低效应(DIBL)。三维半导体仿真软件的数值模拟和模型的解析结果吻合良好,证实了模型的正确性和准确性。本文所建立的小尺寸MOS器件的三维表面势场分布模型和阈值电压模型,不仅能够反映短沟道效应,也能够反映窄沟道/反向窄沟道效应,还能够体现它们之间的耦合作用,不但适用于小尺寸器件,而且适用于大尺寸器件,是一个理想的统一模型。