相变存储器(Phase Change Random Access Memory，PCRAM)是利用硫系化合物晶态和非晶态不同的电学特性来实现信息存储，因其器件性能优越并与CMOS工艺兼容，被认为很有可能取代现在主流存储器的地位。PCRAM器件单元尺寸已进入纳米级别，实验手段很难表征纳米级别的微观结构和相变过程，数值模拟就成为研究PCRAM物理场分布的重要手段。本文基于模拟对模型准确性的要求，构建了40nm工艺下的PCRAM器件单元模型并进行校准，研究器件的物理分布情况和电学特性，从而指导器件单元的结构优化和材料的选择，主要研究结论如下:　　1、基于有限元COMSOL软件的仿真平台，建立电场、热场和结晶学多物理耦合模型，表征PCRAM器件单元的微观相变过程。考虑器件中的不理想因素，参考大量文献，优化器件模型，增加了模型的可信度。　　2、以40nm工艺下的蘑菇型结构为原型构建PCRAM器件单元，模拟器件的RESET操作过程，得到RESET操作过程中的电热分布图像和电阻变化过程，并模拟有无边界层对器件的影响，验证了考虑边界层模型更加完善。并通过与加热电极直径为35nm的蘑菇型结构器件单元的电学测试结果比对，验证了模型的准确性。研究相变材料物理参数和薄膜厚度对器件温度分布的影响，得出在一定范围内，相变材料热导率越低、电导率越低、薄膜的尺寸越厚有利于提高PCRAM器件性能。探讨了两种不同的电流操作方式对器件的影响。　　3、建立刀片电极结构物理模型，模拟RESET操作并与测试数据比对，验证模型可靠性。研究了刀片电极厚度对刀片电极结构的影响，得到了刀片电极的薄膜越薄，器件的性能越好。利用刀片状加热电极与刀片状相变层垂直交叉接触面积小和热效率高的特点，在刀片电极的基础上设计一种新型器件结构（双刀片结构），并模拟器件RESET操作时瞬态电场和温度的分布，证明了器件功耗得到大幅降低，讨论了相变层形状对双刀片结构性能的影响。