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硫系化合物的可逆阈值转换效应被发现后，相变存储器的概念被提出。相变存储器是一种电阻型非易失性存储器，在热的激励下硫系化合物可实现低阻结晶态和高阻非晶态之间的可逆转换，利用相差2～3个数量级的高低电阻值存储数据。相变存储器因其读写次数高、擦写速度快、抗辐射能力强，与CMOS工艺兼容，可实现多值存储，尺寸可缩小能力强，以及可实现3D叠层结构等诸多优点，应用范围广泛，被认为是有竞争力的新型存储技术之一。 当前智能手机等可便携设备的迅猛发展使得存储器技术向高速度、低功耗、高密度存储、低成本的特点发展。但相变存储器的不足之处是编程电流和编程功耗较大，而同时相变存储器有很好的尺寸缩小能力，可低至10nm，且相变存储器单元尺寸的不断缩小既可以提高存储密度，又可以大大减小编程电流，所以相变存储器的发展趋势是深入研究其尺寸缩小能力，并制备尺寸更小性能更加的器件。 相变存储器的操作过程包括电学、热学、相变过程和渗流过程等物理过程，这些物理过程相互耦合，需要对相变存储器建模和模拟来理解操作过程中器件的微观过程和宏观参数的变化，从而优化器件的性能。 本论文针对相变存储器技术的发展需求以及基于多物理场建模的迫切性，在相变存储器的电学、热学、相变过程和渗流过程等微观物理机制，器件的数值建模，器件结构和性能的优化，以及相变存储器单元的尺寸缩小能力等方面展开了系统的研究，主要的研究工作包括: (1)详细研究了相变存储器的操作过程中的电学、热学、相变过程和渗流过程等物理过程的物理机制，并在统一的程序框架下，实现了基于多物理场耦合模型（电学、热学、相变过程和渗流过程等）的相变存储器模拟; (2)研究了蘑菇状相变存储器的RESET和SET过程，得到的电流密度分布、电势分布、电场分布、温度分布和微观结晶比的分布等微观结果有助于理解相变存储器的工作过程，同时通过对各个物理模型的计算结果的分析，验证了模型的合理性和模拟器计算的正确性; (3)采用本文建立的模拟器研究了纳米线相变存储器的RESET操作过程，尺寸缩小特性，以及结构参数等对器件性能的影响等。 论文所取得的研究结果对深入理解相变存储器操作过程中的物理机制，优化器件的结构和性能，推动相变存储器继续向小尺寸器件发展等具有一定的指导意义。