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传统硅基MOS器件尺寸缩小进入纳米尺度后面临诸多问题，已经无法满足实际应用需求，需要引入新材料、新工作原理和新结构对器件进行改进以获得更好的性能和更低的功耗。在新材料方面，采用具有高迁移率的沟道材料(如Ge，GeSn，InGaAs)替换硅作为沟道材料以提高性能;在新原理方面，采用基于带带隧穿原理的隧穿器件代替传统MOSFET，以突破传统MOS器件的亚阈摆幅极限(kT/q)，从而降低功耗。 然而，器件中的非本征效应，特别是与界面陷阱和栅介质氧化层陷阱相关的效应，会严重影响新材料和新原理器件的本征性能，并会引起器件的抗涨落性和可靠性问题。因此，必须对新材料和新原理器件中的陷阱行为及其对器件的影响进行研究，从而为它们的性能优化提供依据，为其未来的应用奠定基础。 本论文对新材料与新原理器件栅叠层中的陷阱的物理特性及其影响进行了系列研究。针对新材料高迁移率GeSn沟道和HfO2栅介质，研究了其在不同锡组分下和不同锡原子掺杂位置下的界面特性和界面陷阱分布，并给出了界面优化的途径。针对硅基新原理隧穿器件，研究了其界面陷阱对器件性能参数的影响和相关陷阱退化机理，得到了隧穿器件界面优化的方案。进一步地结合新材料和新原理，研究了GeSn沟道隧穿器件中界面陷阱的影响，考察了在不同锡组分下，陷阱退化器件性能的主导机制。最后，针对栅介质氧化层陷阱，结合第一性原理和分子动力学的方法，研究了栅介质氧化层陷阱俘获/发射载流子的动力学，得到陷阱亚稳态的物理基础，对于器件的NBTI可靠性退化和陷阱引入的动态涨落的研究有重要意义。 针对高迁移率GeSn沟道，首次通过原子建模和第一性原理方法表征了GeSn/HfO2的界面特性。研究了界面稳定性和界面陷阱随锡组分和GeSn表面类型（锡原子掺杂位置）的变化关系。结果表明富氧的工艺环境有利于提高GeSn/HfO2的界面稳定性;随着锡组分增加，GeSn/HfO2的界面陷阱增多;通过移除GeSn表面处的Sn原子，可以降低GeSn/HfO2的界面陷阱。这些结论为GeSn/HfO2的界面优化提供了依据。 针对硅基新原理隧穿器件，较系统地研究了硅沟道的界面/近界面陷阱对器件性能的影响。对比研究了不同陷阱类型、陷阱能级及陷阱电荷中性能级(CNL)的位置对隧穿器件(TFET)和传统MOSFET的性能参数的影响。结果表明在相同受主型陷阱作用下，n型TFET的阈值电压漂移量比nMOSFET小;施主型陷阱作用时有相反结论。TFET的开态电流主要受到位于源隧穿结处、陷阱能级位于半导体带隙内很小能量范围内的陷阱的影响。还发现相同陷阱作用下，TFET的亚阈摆幅的退化要比MOSFET严重。对此，提出了通过调制CNL的位置可以抑制界面陷阱的退化的新途径。对于小尺寸下陷阱引起的涨落，发现调制CNL的位置可以抑制TFET和MOSFET中陷阱引起的涨落。上述结果为优化隧穿器件的性能和抗涨落性提供了依据。 进一步地结合新材料和新原理，研究了GeSn隧穿器件的本征性能及GeSn/HfO2的界面陷阱引起的性能退化随组分的变化关系。分析了不同锡组分下陷阱退化器件性能的主导机制:在低锡组分时的主导退化机制是陷阱辅助隧穿;锡组分增加时，增强SRH复合主要影响性能退化;在更高组分时，则主要是双极效应的影响。另外，还发现移除GeSn表面锡原子可以减少器件性能退化。这些结果为GeSn隧穿器件的性能优化提供了依据。 最后，针对栅介质氧化层陷阱，初步研究了SiO2和HfO2中陷阱俘获/发射载流子的行为。提出了基于氧空位形成能的陷阱电荷态跃迁物理图像，通过分子动力学模拟和过渡态搜索，在原子层次上首次观察到陷阱俘获/发射载流子的过程并找到了跃迁过程中的亚稳定态，得到陷阱亚稳态确实存在的物理基础，对于器件的NBTI可靠性退化和陷阱引入的动态涨落的研究有重要意义，也为优化栅介质氧化层陷阱引起的性能退化和可靠性提供依据。 以上研究结果为纳米尺度新材料与新原理器件中陷阱相关的性能优化提供依据，以及为相关器件的未来应用奠定了基础。