纳米器件被认为将在不远的未来取代传统的MOS器件。如何由独立的纳米器件有效构造出纳米电路以及纳米信息处理系统，是纳米电子学领域最重要的课题之一。本论文研究了单电子器件的仿真方法，单电子电路的设计与性能，和纳米信息处理系统的架构。　　 本论文对基单电子传输门进行了理论分析和实验研究。与日本NTT基础实验室合作实现了一个由单电子传输门和单电子电荷计构成的电路。首次在实验上实现了全部基于MOS管的单电子传输和单电子检测，确定了量子化电流和单电子计数的对应关系。建立了相应的仿真模型，为基于单电子传输的新型纳米电路打下了坚实的基础。　　 本论文提出了多种利用单电子器件的新型纳米电路，深入讨论了其特性和应用前景。提出了多种单电子模拟电路，包括压控振荡器和随机数发生器。由于单电子器件具有极高的电荷灵敏度和物理上内在的随机性，这些电路具有极低的功耗和简单的结构。提出了多种单电子数字电路，包括普适逻辑门、多值逻辑电路和快速加法器。单电子普适逻辑门基于单电子传输门中可控的量子化电流台阶，利用器件间传输电子个数的差值实现了复杂的数字逻辑，是目前提出的结构最紧凑的逻辑门电路。单电子多值逻辑电路利用电子传输的个数表征多值逻辑值，极大的简化了电路结构。单电子运算电路通过控制电子传输高效的完成了复杂的数学运算。　　 本论文利用单电子电路单元构建了多种单电子电路系统，包括单电子频率综合器和单电子Petri网络等。单电子频率综合器所用晶体管数目和系统功耗都小于传统结构的十分之一。单电子Petri网络则利用单电子传输的随机性实现了网络中事件的并发性。这些新型的纳米电路和系统利用了单电子器件中特有的新特性，都具有器件少、功耗低、速度快的特点。　　 本论文研究了未来的纳米信息处理系统的架构特点。面向纳米信息系统架构，设计了集成了并行处理单元阵列和图像感光源的视觉芯片。芯片架构具有并行处理、局域连接、片内集成的特点，适合于使用纳米器件实现。使用0.18μm的CMOS工艺进行流片并测试，为从CMOS电路系统到纳米电路系统的平滑过渡做了探索性的研究。本论文还提出了基于分子电路和非线性神经网络原理的的纳米视觉芯片电路，电路可以高速并行实现图像处理算法，具有良好的可配置性和可容错性。