碳纳米管具有超高的载流子迁移率和平均自由程、纳米尺度的管径，可以用来构建速度更快、功耗更低、尺寸更小的纳米场效应晶体管，因此碳纳米管电子学被认为是最有可能取代硅基CMOS器件、延续摩尔定律的未来信息技术之一。本论文主要探索基于碳纳米管场效应晶体管的集成电路。通过对加工工艺和电路设计等方面进行探索，推动碳纳米管集成电路在规模和功能上的进一步发展，演示具有独立功能的碳纳米管集成系统。在此基础上，进一步发掘碳纳米管器件和电路相对于传统半导体技术的优势，展示其在极端环境温度下应用的可能性。具体工作如下:　　碳纳米管电子学已经经过整整15年的发展，在器件性能已经超过对应尺度的硅基MOS器件，然而在集成电路方面的发展相对比较落后，基于单根碳纳米管的场效应晶体管构建的最复杂电路是1位全加器和5阶环振，而且为了保证器件性能的均一，这些电路都是在一根碳管上构建的，因此能否利用多根不同的碳纳米管构建大规模集成电路尚未得到验证。我们针对碳纳米管材料和器件的特征，提出了模块化设计碳纳米管集成电路的思路，设计了基于传输门逻辑的由8个晶体管构建的可编程函数发生器，并在两根管径不同的碳纳米管上采用无掺杂CMOS工艺成功制备出了该电路，通过设置编程电压，演示16种不同的逻辑和运算功能的实现。在此基础上，我们利用8管可编程逻辑运算单元作为基本模块，构建更加复杂和功能强大的电路和系统，在6根不同的半导体性碳纳米管上制备的46个场效应晶体管，组成4个八管单元和多对CMOS反相器电路，成功实现了8位双向总线电路，这是迄今为止最复杂的基于碳纳米管场效应晶体管的集成电路，不仅证明了碳纳米管场效应晶体管可以构建复杂的逻辑电路，而且找到了一种适合碳管电路的规模集成的有效方法，推动了碳纳米管电路从简单的逻辑、运算单元向具有独立功能集成电路和系统发展。　　我们探索了碳纳米管器件在恶劣温度环境工作的可能性，研究了碳纳米管顶栅器件在极端温度环境下的工作情况，证明了碳纳米管场效应晶体管可以在4.3K的液氦温度到573K的高温环境下正常工作。由于碳纳米管场效应晶体管的设计和制备采用了无掺杂工艺，载流子来自于源漏电极注入，而非像硅基电路一般来自于掺杂杂质电离。故而在低温环境下不会因为杂质冻结而导致接触电阻增大或者阈值漂移;而在高温下，无掺杂的碳纳米管场效应晶体管不会出现杂质扩散而导致的器件损坏。这意味着有望将基于碳纳米管的集成电路的应用领域扩展到一些极端环境下，比如工业控制、石油钻井以及航天航空等等，从而大大扩展了碳纳米管集成电路的应用领域。在此基础上，对碳纳米管器件物理进行了探索，研究了随温度变化器件的各项参数的变化规律，包括开态电流、关态电流、亚阈值斜率和迁移率随温度变化规律，提出了一种通过变温测量提取碳纳米管直径的方法，我们通过拟合不同温度下的最小关态电流提取了碳纳米管的禁带宽度，然后进一步算出碳纳米管的直径，并通过AFM测量的结果验证了该方法的合理性。　　作为典型的载流子从一维到二维输运的体系，碳管/石墨烯结的电子输运是一个非常值得研究的问题。我们采用机械剥离的方法先在基底上制备出石墨烯，然后通过化学气相沉积的方法生长出超长的平行碳纳米管，这样会有大量碳管通过石墨烯，从而形成碳管/石墨烯结，并系统的讨论了两者的接触问题。由于功函数的差别，导致了高度为半个碳管禁带宽度的Schottky势垒存在，从而使得器件呈现明显的单向导电性，通过电学和光电测量验证了该势垒的存在。而石墨烯做接触、半导体性碳纳米管做沟道的场效应晶体管可以被视为两个背靠背串联的Schottky二极管，从而抑制了器件的电流，这证明了石墨烯并不是一种构建半导体碳管器件的好的接触材料。