自旋極化場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.因?yàn)樽孕鼺ET是通過自旋的翻轉(zhuǎn)來控制電流的，所以這種工作方法所需要的能量很低，而且速度也很快（比普通FET通過驅(qū)趕[耗盡]電子的方法要快得多）。

2.這種自旋FET結(jié)構(gòu)促進(jìn)了自旋電子器件的半導(dǎo)體化，從而可利用先進(jìn)的微電子工藝技術(shù)、可融合自旋電子器件與光電子器件以及發(fā)展出新型的光學(xué)器件（如超快速開關(guān), 可編程的全自旋電子型微處理器）；并且最終可望把邏輯、存儲(chǔ)和通信等功能融合在一塊芯片上, 成為新型的多功能電子器件。

3.發(fā)展半導(dǎo)體自旋電子器件可能是開發(fā)量子計(jì)算機(jī)等量子信息機(jī)器的切實(shí)可行的途徑，因?yàn)榱孔游皇窍喔莎B加狀態(tài), 自旋電子量子位（自旋向上和自旋向下的態(tài)的疊加狀態(tài)）比起基于電子電荷的量子位, 在相干性(維持相干疊加狀態(tài)的能力)上可獲得較長的相干時(shí)間（由于自旋之間的作用力很弱, 而且是短程力），并且采用n-型半導(dǎo)體可排除空穴自旋的不良影響。

1.如何將自旋電流從鐵磁電極S高效率地注入半導(dǎo)體？——這可利用“磁性半導(dǎo)體”來實(shí)現(xiàn)，這種半導(dǎo)體可通過較低電壓來控制它在非磁狀態(tài)和鐵磁狀態(tài)這兩種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換（自旋開關(guān)），并且可用作為自旋過濾器（讓一種自旋狀態(tài)通過, 阻止另一種自旋狀態(tài)通過）。但是磁性半導(dǎo)體的制備尚不成熟。

2.半導(dǎo)體自旋電子器件對(duì)磁性半導(dǎo)體的基本要求是：電子的自旋極化狀態(tài)在穿越半導(dǎo)體或進(jìn)入另一種材料時(shí), 要能很好地保持不變, 即自旋極化喪失的速度要慢, 自旋電流的極化要能長時(shí)間維持——自旋相干時(shí)間要長。

自旋FET是1990年由Datta和A.Das提出來的。其基本結(jié)構(gòu)見圖示，參與導(dǎo)電的是InAlAs/InGaAs異質(zhì)結(jié)形成的高遷移率二維電子氣（2-DEG）；鐵磁電極S和D具有相同的極化方向（即其中電子自旋的取向相同），以注入和收集自旋極化的電子；柵極電場(chǎng)使溝道中高速運(yùn)動(dòng)的電子的自旋發(fā)生進(jìn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)自旋變成反平行時(shí)即被D極排斥而不導(dǎo)電——D極排斥作用的強(qiáng)弱決定于自旋進(jìn)動(dòng)的程度，從而S-D電流受到柵電壓的控制。

自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的電導(dǎo)特性與自旋軌道藕合強(qiáng)度、界面勢(shì)壘高度以及鐵磁源極與漏極的自旋極化率都有依賴關(guān)系。在考慮Dresselhaus效應(yīng)以后，通過研究表明，在界面勢(shì)壘稍高的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中電導(dǎo)表現(xiàn)出開關(guān)效應(yīng)。而且此開關(guān)效應(yīng)既不需要鐵磁源、漏極，也不需要自旋極化的注入.它在很大的程度上依賴于準(zhǔn)一維電子氣通道中的相干彈道型輸運(yùn)。實(shí)際上可以通過調(diào)節(jié)劈裂門電壓來改變Dresselhaus自旋軌道藕合強(qiáng)度從而可對(duì)自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行開和關(guān)操作。另一方面，在近似歐姆接觸的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中有主要起源于Rashba和Dresselhaus自旋進(jìn)動(dòng)的顯著的電導(dǎo)調(diào)制。這個(gè)工作已經(jīng)發(fā)表在美國的《應(yīng)用物理快報(bào)》上。如果在自旋場(chǎng)效應(yīng)管中加入磁場(chǎng)，電導(dǎo)隨磁場(chǎng)的變化也表現(xiàn)出很好的磁開關(guān)效應(yīng)。研究還表明，自旋場(chǎng)效應(yīng)管的電導(dǎo)隨中間層半導(dǎo)體的厚度和兩邊鐵磁的磁化方向變化而呈現(xiàn)出明顯的量子振蕩效應(yīng)，而且鐵磁和半導(dǎo)體價(jià)帶間的匹配性等對(duì)電導(dǎo)也有較大影響。

跟互斥鎖一樣，一個(gè)執(zhí)行單元要想訪問被自旋鎖保護(hù)的共享資源，必須先得到鎖，在訪問完共享資源后，必須釋放鎖。如果在獲取自旋鎖時(shí)，沒有任何執(zhí)行單元保持該鎖，那么將立即得到鎖；如果在獲取自旋鎖時(shí)鎖已經(jīng)有保持者，那么獲取鎖操作將自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放了鎖。由此我們可以看出，自旋鎖是一種比較低級(jí)的保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或代碼片段的原始方式，這種鎖可能存在兩個(gè)問題：

死鎖。試圖遞歸地獲得自旋鎖必然會(huì)引起死鎖：遞歸程序的持有實(shí)例在第二個(gè)實(shí)例循環(huán)，以試圖獲得相同自旋鎖時(shí)，不會(huì)釋放此自旋鎖。在遞歸程序中使用自旋鎖應(yīng)遵守下列策略：遞歸程序決不能在持有自旋鎖時(shí)調(diào)用它自己，也決不能在遞歸調(diào)用時(shí)試圖獲得相同的自旋鎖。此外如果一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)將資源鎖定，那么，即使其它申請(qǐng)這個(gè)資源的進(jìn)程不停地瘋狂“自旋”,也無法獲得資源，從而進(jìn)入死循環(huán)。

過多占用cpu資源。如果不加限制，由于申請(qǐng)者一直在循環(huán)等待，因此自旋鎖在鎖定的時(shí)候,如果不成功,不會(huì)睡眠,會(huì)持續(xù)的嘗試,單cpu的時(shí)候自旋鎖會(huì)讓其它process動(dòng)不了. 因此，一般自旋鎖實(shí)現(xiàn)會(huì)有一個(gè)參數(shù)限定最多持續(xù)嘗試次數(shù). 超出后, 自旋鎖放棄當(dāng)前time slice. 等下一次機(jī)會(huì)。

由此可見，自旋鎖比較適用于鎖使用者保持鎖時(shí)間比較短的情況。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。信號(hào)量和讀寫信號(hào)量適合于保持時(shí)間較長的情況，它們會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用，而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。如果被保護(hù)的共享資源只在進(jìn)程上下文訪問，使用信號(hào)量保護(hù)該共享資源非常合適，如果對(duì)共享資源的訪問時(shí)間非常短，自旋鎖也可以。但是如果被保護(hù)的共享資源需要在中斷上下文訪問（包括底半部即中斷處理句柄和頂半部即軟中斷），就必須使用自旋鎖。自旋鎖保持期間是搶占失效的，而信號(hào)量和讀寫信號(hào)量保持期間是可以被搶占的。自旋鎖只有在內(nèi)核可搶占或SMP（多處理器）的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶占的內(nèi)核下，自旋鎖的所有操作都是空操作。

上面簡(jiǎn)要介紹了自旋鎖的基本原理，以下將給出具體的例子，進(jìn)一步闡釋自旋鎖在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。上面我們已經(jīng)講過自旋鎖只有在內(nèi)核可搶占或SMP（多處理器）的情況下才真正需要，下面我們就以SMP為例，來說明為什么要使用自旋鎖，以及自旋鎖實(shí)現(xiàn)的基本算法。

不同電介質(zhì)的極化程度是不一樣的。為了分析電介質(zhì)極化的宏觀效應(yīng)，常引入極化強(qiáng)度P這一物理量來表征電介質(zhì)的極化特性。極化強(qiáng)度是一個(gè)矢量，定義單位體積內(nèi)電偶極子電矩的矢量和為極化強(qiáng)度。

事實(shí)上，自旋鎖的初衷就是：在短期間內(nèi)進(jìn)行輕量級(jí)的鎖定。一個(gè)被爭(zhēng)用的自旋鎖使得請(qǐng)求它的線程在等待鎖重新可用的期間進(jìn)行自旋(特別浪費(fèi)處理器時(shí)間)，所以自旋鎖不應(yīng)該被持有時(shí)間過長。如果需要長時(shí)間鎖定的話, 最好使用信號(hào)量。

1自旋鎖實(shí)際上是忙等鎖

當(dāng)鎖不可用時(shí)，CPU一直循環(huán)執(zhí)行“測(cè)試并設(shè)置”該鎖直到可用而取得該鎖，CPU在等待自旋鎖時(shí)不做任何有用的工作，僅僅是等待。因此，只有在占用鎖的時(shí)間極短的情況下，使用自旋鎖才是合理的。當(dāng)臨界區(qū)很大或有共享設(shè)備的時(shí)候，需要較長時(shí)間占用鎖，使用自旋鎖會(huì)降低系統(tǒng)的性能。

自旋鎖可能導(dǎo)致系統(tǒng)死鎖

引發(fā)這個(gè)問題最常見的情況是遞歸使用一個(gè)自旋鎖，即如果一個(gè)已經(jīng)擁有某個(gè)自旋鎖的CPU 想第二次獲得這個(gè)自旋鎖，則該CPU 將死鎖。此外，如果進(jìn)程獲得自旋鎖之后再阻塞，也有可能導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。copy_from_user()、copy_to_user()和kmalloc()等函數(shù)都有可能引起阻塞，因此在自旋鎖的占用期間不能調(diào)用這些函數(shù)。代碼清單7.2 給出了自旋鎖的使用實(shí)例，它被用于實(shí)現(xiàn)使得設(shè)備只能被最多一個(gè)進(jìn)程打開。