自旋极化场效应晶体管电导特性

自旋场效应晶体管中的电导特性与自旋轨道藕合强度、界面势垒高度以及铁磁源极与漏极的自旋极化率都有依赖关系。在考虑Dresselhaus效应以后，通过研究表明，在界面势垒稍高的自旋场效应晶体管中电导表现出开关效应。而且此开关效应既不需要铁磁源、漏极，也不需要自旋极化的注入.它在很大的程度上依赖于准一维电子气通道中的相干弹道型输运。实际上可以通过调节劈裂门电压来改变Dresselhaus自旋轨道藕合强度从而可对自旋场效应晶体管进行开和关操作。另一方面，在近似欧姆接触的自旋场效应晶体管中有主要起源于Rashba和Dresselhaus自旋进动的显著的电导调制。这个工作已经发表在美国的《应用物理快报》上。如果在自旋场效应管中加入磁场，电导随磁场的变化也表现出很好的磁开关效应。研究还表明，自旋场效应管的电导随中间层半导体的厚度和两边铁磁的磁化方向变化而呈现出明显的量子振荡效应，而且铁磁和半导体价带间的匹配性等对电导也有较大影响。

1.因为自旋FET是通过自旋的翻转来控制电流的，所以这种工作方法所需要的能量很低，而且速度也很快（比普通FET通过驱赶[耗尽]电子的方法要快得多）。

2.这种自旋FET结构促进了自旋电子器件的半导体化，从而可利用先进的微电子工艺技术、可融合自旋电子器件与光电子器件以及发展出新型的光学器件（如超快速开关, 可编程的全自旋电子型微处理器）；并且最终可望把逻辑、存储和通信等功能融合在一块芯片上, 成为新型的多功能电子器件。

3.发展半导体自旋电子器件可能是开发量子计算机等量子信息机器的切实可行的途径，因为量子位是相干叠加状态, 自旋电子量子位（自旋向上和自旋向下的态的叠加状态）比起基于电子电荷的量子位, 在相干性(维持相干叠加状态的能力)上可获得较长的相干时间（由于自旋之间的作用力很弱, 而且是短程力），并且采用n-型半导体可排除空穴自旋的不良影响。

自旋FET是1990年由Datta和A.Das提出来的。其基本结构见图示，参与导电的是InAlAs/InGaAs异质结形成的高迁移率二维电子气（2-DEG）；铁磁电极S和D具有相同的极化方向（即其中电子自旋的取向相同），以注入和收集自旋极化的电子；栅极电场使沟道中高速运动的电子的自旋发生进动或转动，当自旋变成反平行时即被D极排斥而不导电——D极排斥作用的强弱决定于自旋进动的程度，从而S-D电流受到栅电压的控制。

1.如何将自旋电流从铁磁电极S高效率地注入半导体？——这可利用“磁性半导体”来实现，这种半导体可通过较低电压来控制它在非磁状态和铁磁状态这两种状态之间进行转换（自旋开关），并且可用作为自旋过滤器（让一种自旋状态通过, 阻止另一种自旋状态通过）。但是磁性半导体的制备尚不成熟。

2.半导体自旋电子器件对磁性半导体的基本要求是：电子的自旋极化状态在穿越半导体或进入另一种材料时, 要能很好地保持不变, 即自旋极化丧失的速度要慢, 自旋电流的极化要能长时间维持——自旋相干时间要长。

跟互斥锁一样，一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先得到锁，在访问完共享资源后，必须释放锁。如果在获取自旋锁时，没有任何执行单元保持该锁，那么将立即得到锁；如果在获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出，自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式，这种锁可能存在两个问题：

死锁。试图递归地获得自旋锁必然会引起死锁：递归程序的持有实例在第二个实例循环，以试图获得相同自旋锁时，不会释放此自旋锁。在递归程序中使用自旋锁应遵守下列策略：递归程序决不能在持有自旋锁时调用它自己，也决不能在递归调用时试图获得相同的自旋锁。此外如果一个进程已经将资源锁定，那么，即使其它申请这个资源的进程不停地疯狂“自旋”,也无法获得资源，从而进入死循环。

过多占用cpu资源。如果不加限制，由于申请者一直在循环等待，因此自旋锁在锁定的时候,如果不成功,不会睡眠,会持续的尝试,单cpu的时候自旋锁会让其它process动不了. 因此，一般自旋锁实现会有一个参数限定最多持续尝试次数. 超出后, 自旋锁放弃当前time slice. 等下一次机会。

由此可见，自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因此只能在进程上下文使用，而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。

上面简要介绍了自旋锁的基本原理，以下将给出具体的例子，进一步阐释自旋锁在实际系统中的应用。上面我们已经讲过自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，下面我们就以SMP为例，来说明为什么要使用自旋锁，以及自旋锁实现的基本算法。

不同电介质的极化程度是不一样的。为了分析电介质极化的宏观效应，常引入极化强度P这一物理量来表征电介质的极化特性。极化强度是一个矢量，定义单位体积内电偶极子电矩的矢量和为极化强度。

事实上，自旋锁的初衷就是：在短期间内进行轻量级的锁定。一个被争用的自旋锁使得请求它的线程在等待锁重新可用的期间进行自旋(特别浪费处理器时间)，所以自旋锁不应该被持有时间过长。如果需要长时间锁定的话, 最好使用信号量。

1自旋锁实际上是忙等锁

当锁不可用时，CPU一直循环执行“测试并设置”该锁直到可用而取得该锁，CPU在等待自旋锁时不做任何有用的工作，仅仅是等待。因此，只有在占用锁的时间极短的情况下，使用自旋锁才是合理的。当临界区很大或有共享设备的时候，需要较长时间占用锁，使用自旋锁会降低系统的性能。

自旋锁可能导致系统死锁

引发这个问题最常见的情况是递归使用一个自旋锁，即如果一个已经拥有某个自旋锁的CPU 想第二次获得这个自旋锁，则该CPU 将死锁。此外，如果进程获得自旋锁之后再阻塞，也有可能导致死锁的发生。copy_from_user()、copy_to_user()和kmalloc()等函数都有可能引起阻塞，因此在自旋锁的占用期间不能调用这些函数。代码清单7.2 给出了自旋锁的使用实例，它被用于实现使得设备只能被最多一个进程打开。