基于金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管的存储器(例如阻变存储器(RRAM)、铁电存储器(FRAM)和NAND闪存等)在半导体工业的发展中已经发挥了数十年的重要作用。其中以其构造简单、功耗低和集成度较高为优势的阻变存储器的发展更加受到专家学者的关注。在RRAM阵列中,“三明治”结构是存储单元中最常见到的结构,而其阵列要想实现更高集成度和数倍存储密度则十字交叉式结构的排列最为现实可行。可是交叉阵列结构面临最大的问题就是串扰电流过大而致使的存储单元误读。为抑制泄漏电流,业界研究了多种办法。综合考虑各项条件的情况下选通器应运而生。影响选通器性能的参数之一就是选通器IⅣ曲线中的非线性,本文旨在从微电子角度理论研究选通器非线性的产生和改善。在本文中,我们首先简要概述了选通器在最大限度地减少交叉点存储器阵列中所有未选单元的泄漏电流中所起到的作用。然后对选通器常用结构进行分类,从最常见的Si基NPN和NIPIN、基于MIEC(mixed-ionic-electronic-conduction)混合离子电子导电的选通器到MIM结构的选通器、具有掺杂Si的MSM结构、MIS结构的选通器(M:金属,I:绝缘体,S:半导体)。回顾了目前对各种选通器原理的研究,包括传统的硅基半导体器件,氧化物二极管,阂值开关、氧化物隧穿以及基于混合离子电子传导(MIEC)。分析了目前所总结出来的各类器件的工作机理,最后总结了目前研究出的影响选通器性能的一些关键参数。本文利用第一性原理为基础,从理论计算的角度讨论选通器的工作原理及对其性能的优化。研究发现界面的引入相对于体材料的非线性得到了改善,电极的改变对器件非线性也会产生影响,界面结构的电子特性与器件整流的相互关系。首先探讨了论文中模型的合理性以及所搭建界面的稳定性,利用LDOS确定了石墨烯电极对Ti02的影响层数以此说明7层TiO2构建的三层结构的合理性,之后通过分析界面间的电子特性来确定维持界面稳定的化学键。外加电压发现增加石墨烯电极后的模型非线性及阂值电压发生改善,外加电场模拟器件从开始工作到导通的整个过程分析电势图和原子布居分析图得知界面的存在产生了界面势垒,势垒的存在延缓了导电细丝的形成。使得阈值电压后移以及电流的减小致使的非线性的改善,分析得出石墨烯/TiO2/石墨烯结构的选通器非线性来源于界面势垒。添加了电极之后,由于界面势垒的存在而使非线性得到了改善。在此基础上讨论电极的改变对选通器非线性的影响,并从微电子的角度探讨造成非线性存在差异的原因。对比研究了Pt/TiO2/Pt,Au/TiO2/Au和Ti/TiO2/Ti三种结构器件的Ⅳ特性,对于其中非线性差异较大的两种模型进行分析。LDOS图表明Ti电极对TiO2阻变层影响最大,使其由半导体特性转变为具有金属特性。Pt作为电极的器件LDOS中显示界面间的接触为肖特基接触。差分电荷密度图的结果表明Pt中电子向TiO2阻变层转移。垂直于界面的电势图也明显的看出相比于Ti/TiO2/Ti结构,Pt/TiO2/Pt结构的界面处存在势垒。并且在电势图中可以看出Pt电极与TiO2阻变层存在明显的电势差,Ti电极与TiO2阻变层电势差不明显。因此分析得出上下表面的接触电势差形成界面势垒,降低器件的泄漏电流,增加器件的整流能力。综上所述相对于TiO2体材料,增加石墨烯电极会使非线性增加,阈值电压后移。但是不同的金属电极也会影响器件的非线性大小,非线性的大小与金属电极和阻变层的接触电势差息息相关。本文的研究结论对基于TiO2的选通器性能改善提供一定程度上的理论指导。