自旋極化場效應(yīng)晶體管工作原理

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；柵極電場使溝道中高速運動的電子的自旋發(fā)生進動或轉(zhuǎn)動，當(dāng)自旋變成反平行時即被D極排斥而不導(dǎo)電——D極排斥作用的強弱決定于自旋進動的程度，從而S-D電流受到柵電壓的控制。

1.因為自旋FET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)促進了自旋電子器件的半導(dǎo)體化，從而可利用先進的微電子工藝技術(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)量子計算機等量子信息機器的切實可行的途徑，因為量子位是相干疊加狀態(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。

自旋場效應(yīng)晶體管中的電導(dǎo)特性與自旋軌道藕合強度、界面勢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，在界面勢壘稍高的自旋場效應(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。實際上可以通過調(diào)節(jié)劈裂門電壓來改變Dresselhaus自旋軌道藕合強度從而可對自旋場效應(yīng)晶體管進行開和關(guān)操作。另一方面，在近似歐姆接觸的自旋場效應(yīng)晶體管中有主要起源于Rashba和Dresselhaus自旋進動的顯著的電導(dǎo)調(diào)制。這個工作已經(jīng)發(fā)表在美國的《應(yīng)用物理快報》上。如果在自旋場效應(yīng)管中加入磁場，電導(dǎo)隨磁場的變化也表現(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)體價帶間的匹配性等對電導(dǎo)也有較大影響。

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)體或進入另一種材料時, 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間維持——自旋相干時間要長。

跟互斥鎖一樣，一個執(zhí)行單元要想訪問被自旋鎖保護的共享資源，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，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的保護數(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問題：

死鎖。試圖遞歸地獲得自旋鎖必然會引起死鎖：遞歸程序的持有實例在第二個實例循環(huán)，以試圖獲得相同自旋鎖時，不會釋放此自旋鎖。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調(diào)用它自己，也決不能在遞歸調(diào)用時試圖獲得相同的自旋鎖。此外如果一個進程已經(jīng)將資源鎖定，那么，即使其它申請這個資源的進程不停地瘋狂“自旋”,也無法獲得資源，從而進入死循環(huán)。

過多占用cpu資源。如果不加限制，由于申請者一直在循環(huán)等待，因此自旋鎖在鎖定的時候,如果不成功,不會睡眠,會持續(xù)的嘗試,單cpu的時候自旋鎖會讓其它process動不了. 因此，一般自旋鎖實現(xiàn)會有一個參數(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. 等下一次機會。

由此可見，自旋鎖比較適用于鎖使用者保持鎖時間比較短的情況。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時間非常短，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。信號量和讀寫信號量適合于保持時間較長的情況，它們會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進程上下文使用，而自旋鎖適合于保持時間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。如果被保護的共享資源只在進程上下文訪問，使用信號量保護該共享資源非常合適，如果對共享資源的訪問時間非常短，自旋鎖也可以。但是如果被保護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，而信號量和讀寫信號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。

上面簡要介紹了自旋鎖的基本原理，以下將給出具體的例子，進一步闡釋自旋鎖在實際系統(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)，常引入極化強度P這一物理量來表征電介質(zhì)的極化特性。極化強度是一個矢量，定義單位體積內(nèi)電偶極子電矩的矢量和為極化強度。

事實上，自旋鎖的初衷就是：在短期間內(nèi)進行輕量級的鎖定。一個被爭用的自旋鎖使得請求它的線程在等待鎖重新可用的期間進行自旋(特別浪費處理器時間)，所以自旋鎖不應(yīng)該被持有時間過長。如果需要長時間鎖定的話, 最好使用信號量。

1自旋鎖實際上是忙等鎖

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

自旋鎖可能導(dǎo)致系統(tǒng)死鎖

引發(fā)這個問題最常見的情況是遞歸使用一個自旋鎖，即如果一個已經(jīng)擁有某個自旋鎖的CPU 想第二次獲得這個自旋鎖，則該CPU 將死鎖。此外，如果進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例，它被用于實現(xiàn)使得設(shè)備只能被最多一個進程打開。