忆阻器作为新型的非易失存储器件,因其具有高速、低功耗、易集成以及与CMOS工艺兼容等优点而备受研究人员瞩目。为了持续优化忆阻器件的性能,其物理机制的表征方法一直是忆阻器的重要研究方向之一。随着基于忆阻器的非易失逻辑运算方案的提出,存储与计算融合在实验室中被成功实现。忆阻逻辑为突破冯·诺依曼瓶颈、绕开微缩极限提供了新的技术发展方向,忆阻器也有望成为未来计算架构的核心基础器件。本文基于忆阻器的物理机制和逻辑实现研究背景下,首先以忆阻器中的随机电报噪声作为物理机制研究的切入点。选取Pt/Ti/HfO₂/W忆阻器作为研究对象,测试得到器件的基本电学特性,利用机制拟合分析了器件在不同电阻状态下的导电机制。通过调节reset截止电压,得到Pt/Ti/HfO₂/W忆阻器的多个稳定的中间阻态。以不同阻态下的随机电报噪声特性差异作为研究方向,测试发现随机电报噪声复杂度随阻态的增大而增加的规律,证明氧空位陷阱数目随阻态增加而增加。进一步测试随机电报噪声特性与读取电压的关系,发现焦耳热影响着氧空位陷阱俘获和释放的过程。结合器件的导电机制和随机电报噪声测试结果,建立了基于氧空位陷阱俘获和释放电荷的导电丝模型解释了器件中氧空位陷阱随阻态演变的过程。接下来以Pt/HfO₂/TiN忆阻器作为研究对象,结合电学特性测量结果,设计基于Pt/HfO₂/TiN忆阻器的NOR逻辑电路,并在封装的Pt/HfO₂/TiN忆阻器中实验实现NOR逻辑功能。基于NOR逻辑的电路结构,又相继提出了OR、NOT、TRANSFER、NAND、IMP和AND等几种基本布尔逻辑的实现方法,并在实际器件中实验验证其可行性。针对不同计算需求,提出了两种一位加减法电路和一种二位乘法器电路,并在Hspice软件中仿真验证了其可行性。本文的研究工作有助于理解忆阻器阻变过程中氧空位和陷阱的迁移演变过程,也为设计基于忆阻逻辑的算术运算电路提供良好的借鉴。