自旋场效应管是什么？特性原理科普-KIA MOS管

自旋场效应管解析

自旋场效应管（Spin-FET）， 也称为自旋偏振（极化）半导体场效应晶体管，这是一种半导体自旋电子器件。

工作原理

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。

基本结构如下图所示，这是一个类似三明治的结构，两边是铁磁性材料充当自旋相关载流子的源与漏，中间是由窄带半导体材料(InA1As)和衬底(InGaAs)形成的二维电子气。

为了说明这个器件的工作原理，我们可以通过电光效应来作类比阐述。图2是电光效应的光学调制器的示意图。

光束通过左边的起偏器后，入射光就变成了沿与y轴成45°角偏振的线偏振光，它可表示成沿y轴偏振的线偏振光与沿z轴偏振的线偏振光的线性组合。

应用

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。

电导特性

自旋场效应管中的电导特性与自旋轨道耦合强度、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自旋轨道耦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。

实现自旋FET的困难

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。

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