新型电子器件共振隧穿二极管(Resonant tunneling diode,RTD),由于其高频高速、低功耗等优点受到了广泛的关注,其独特的I-V特性曲线,使得它在电路设计时有非常的优势。利用它的负微分电阻特性(Negative differential resistance,NDR),RTD在振荡器、逻辑电路、无线通信和神经网络等领域的有诸多的应用。本文首先对RTD建模进行了研究,分析了各个参数对模型特性曲线的影响。针对RTD其在负阻区内局部呈现的滞回特性,本文利用RTD的NDR负阻特性,其负阻区工作不稳定的特点,进而构建了具有滞回特性的RTD开关单元电路。对电路的高低阻态特征、呈现的滞回特性、阈值电压等性质进行了分析,通过数学公式推导,得出了影响其滞回曲线特性变化的参数,并进行了仿真验证。与RTD局部呈现的滞回特性相比,RTD开关单元电路的滞回曲线范围更大,使得其在逻辑电路设计中能够更方便的使用,并且可以控制的阈值电压使得应用更加灵活。其次本文进一步改进了原来的NDR负阻网络结构,利用对称结构搭建了双向的NDR负阻网络,基于此设计了基于NDR负阻特性的忆阻器。通过利用不同的NDR负阻网络,本文搭建几种具有不同滞回曲线的负阻特性忆阻器,其具有可调节的阈值电压和丰富的阻态特性,非常适用于数字电路设计。此外,本文还搭建了 R-HBT-NDR型结构忆阻器的实际电路,对其进行了实验,证明设计的可行性。纳米器件忆阻器与RTD相似,其特性曲线在局部也呈现一定的负阻特性,所以本文还就忆阻器与RTD的NDR特性进行了结合应用。通过分析现有的RTD和忆阻器的基本逻辑门电路的设计方法,将基于NDR特性器件基于导通/翻转操作的逻辑电路设计方法应用于忆阻器逻辑运算单元的设计中,提出基于忆阻器的改进型逻辑门设计方法。并且基于此设计了忆阻器的二值可重配逻辑电路,通过不同的控制信号,则可以使电路产生不同的逻辑功能,使得设计的逻辑电路操作更为简便,且与当下以“电平”为输入/输出的数字电路系统相兼容。