场效应晶体管作为现代集成电路的核心电子元器件,其性能的不断提升推动着近半个世纪以来的集成电路产业的高速发展。然而,随着器件尺寸微缩至其理论极限,短沟道效应使得传统硅基场效应晶体管的器件性能急剧退化。传统的依靠减小器件尺寸,提升器件性能,增加器件集成密度以提高集成电路性能的技术路线将面临失效。为了应对这一挑战,一方面研究人员致力于寻找新材料以减弱短沟道效应的影响,继续推进器件尺寸的小型化。另一方面,研究人员希望设计新原理电子器件,探索全新的信息计算方式以推进集成电路性能持续发展。二维层状材料种类丰富,其材料结构均为层内原子通过共价键结合成稳定的晶格结构,而原子层间则通过范德华力相结合。二维层状材料表面无悬挂键,具有原子级平整度。并且,部分二维层状材料可以以原子级厚度存在于大气环境中。利用二维层状材料制备场效应器件具有巨大的研究价值,一方面,由于二维层状材料原子级厚度的本征特性使得器件表现出优异的栅控性质,可以有效减小短沟道效应对器件性能的影响;另一方面,二维层状材料丰富的物理性质为设计新原理场效应器件提供了理想的探索平台。本论文主要基于二维层状材料研究了两大类场效应晶体管器件,并展示了相关的模拟电路和逻辑电路应用。在器件级研究方面,我们设计并展示了新原理场效应晶体管器件,同时对器件的工作机制进行了分析与阐明。在电路功能应用方面,我们充分挖掘并利用新原理器件的特性,设计并展示了相关的高性能电路功能。我们的工作证明了,基于二维层状材料的新原理电子器件的研究对于推进后摩尔时代集成电路性能的持续提升具有巨大的前景。本论文首先介绍基于石墨烯(graphene)/二碲化钼(Mo Te2)范德华异质结的垂直场效应晶体管展示了V型双极性场效应特性曲线,并对借助于能带图和热激发模型对器件工作机制进行了解释说明。随后,我们利用器件独特的场效应特性实现了两种基本的模拟信号调制功能,输出相位调制和倍频发生器。随后,我们将研究重点聚焦于利用双极性特性场效应晶体管器件实现可重构的电学特性。我们先后设计并展示了两种基于二硒化钨(WSe2)可重构场效应特性器件。其一为对称双栅结构WSe2场效应可调同质结器件。该器件在两个独立的栅极电压的调节下表现出四种典型的同质结特性,包括pn结,np结,nn结和pp结。其二为单栅调控可重构场效应特性WSe2场效应晶体管器件。该器件在源漏偏压Vds和栅极偏压Vgs两种外部偏压的作用下表现出p型和n型场效应特性可动态重构的典型特性。这两种结构的器件各有优势,对称双栅结构WSe2场效应可调同质结器件电学状态丰富,而单栅调控可重构场效应特性WSe2场效应晶体管器件结构简单,跟有利于实现器件小型化。最后,我们分别利用两种结构的WSe2可重构场效应特性器件进行了大量的相关电路功能展示。其中,基于对称双栅结构WSe2场效应可调同质结器件我们首先展示了基于该型器件的高性能逻辑反相器。随后基于逻辑反相器电路设计了逻辑功能丰富的逻辑单元电路。然后以逻辑单元电路为基础我们又展示了更为复杂的逻辑功能(三输入“与非门”,三输入“或非门”,三输入“与或非门”,三输入“或与非门”,2:1数据选择器,D-锁存器,1比特加法器和1比特减法器功能)。且我们展示的逻辑功能实现了输入电压信号和输出电压信号的电压区间保持一致,实现了全摆幅的信号输出,保证了逻辑运算的精确性。最后我们也基于该型器件设计了面向传统模拟信号处理的波形调制功能电路应用和面向未来神经形态计算的模拟突触功能电路应用。而基于单栅调控可重构场效应特性WSe2场效应晶体管器件的电路功能展示方面,我们结合了该型器件独有的电学特性可重构特性和传统的传输晶体管逻辑的电路设计理念,设计并实现了结构简单,逻辑表达能力强大的逻辑电路。并且,我们也提出了基于此设计思路实现更加复杂的逻辑功能的普适的电路设计规则。