在信息全球化的时代,数据作为信息的载体,需要被存储起来再转发出去。随着经济的增长,各种电子设备应运而生,需要存储的数据量越来越多,于是对存储设备提出了更严格的要求。由于CMOS进入纳米量级,浮栅器件在操作电压、功耗、集成工艺、可靠性、电路设计等方面面临着物理和技术上的瓶颈,这使得半导体工艺面临着前所未有的挑战。记忆电阻,简称忆阻器,被称作第四种电路元件,具有非易失特性、纳米尺寸、快速的存储速度(<10ns)、高写操作耐久性(1015)、并且能够与CMOS相兼容等特性,这些特性为半导体存储技术的进一步发展奠定了基础。本文从忆阻器的存储机理出发,首先深入研究了TiO2薄膜型忆阻器和带有阈值特性的忆阻器,借助HSPICE仿真工具,验证了其阈值特性。在忆阻器的阈值模型基础上,利用忆阻器的多值特性和晶体管的开关特性,提出了2T2M多值存储结构,运用以两个忆阻器的阻值比定义多值的方法,设计了4值和8值的存储方案,并对这两种方案的可行性进行了分析。为了实现更高密度的存储功能,结合交叉阵列结构,提出了基于2T2M多值存储单元的交叉阵列,该交叉阵列结构能够有效地解决漏电流引起的阻值变化问题。同时,在该阵列结构的基础上,探讨了其在二值图像存储上的应用。最后,本文在8值存储的基础上,利用比值定义状态的方法,在数据监测和误差方面进行了分析和探讨,并验证了该方案的可靠性。本文的研究成果为忆阻器的多值应用提供了实验依据和理论支持,同时为基于忆阻器多值存储的发展奠定了基础。