博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学

第一章 研究背景介绍
图 1-8: 磁 p-n 结示意图,左边的 p 型区是磁化的,导带的电子产生 2qξ 的劈裂,而右边的 n 型
区是没有磁化的。图中的实心点是自旋极化的电子,空心点是无自旋极化的空穴。上图中注入
到 n 区的电子的自旋极化平行于 p 区的磁化方向,下图则是反平行。摘自文献 [59]。
数载流子。自旋二极管和普通 p−n 结的比较如图1-9所示 [56],图中分别给出了 p−n 结
的标准的和载流子的能量示意图 4○ ,以及自旋二极管的能量示意图。在 p − n 的 p 型区
空穴是多数载流子,电子为少数载流子,n 型区则正好相反,在自旋二极管的左边自旋
向上的电子为多数载流子,向下的电子为少数载流子,右边与左边相反。当加上正向偏
压的时候,p − n 结的耗尽层势垒变弱,在电场驱动下 p 区的空穴会向 n 区运动,n 区
的电子则会向 p 区运动,从而形成一个总的电流。对于自旋二极管,只有自旋向上电
子的势垒变弱,自旋向下电子的势垒反而是变强的,因此向上电子就会向左运动,从而
形成一个向左的自旋流,伴随着一个向右的电荷流,电荷流与自旋流的方向是相反的。
当加上反向偏压的时候,p − n 结耗尽层势垒变强,器件是不导通的。对于自旋二极管
的情况则与正向偏压相反,自旋向下电子的势垒变弱,自旋向上电子的势垒反而是变强
的,因此自旋向下电子就会向右运动,从而形成一个向左的自旋流,伴随着一个向左的
电荷流,电荷流与自旋流的方向是相同的。因此自旋二极管可以用不同的偏压来调节电
荷流与自旋流的相对方向。此类自旋二极管还处于概念的范畴,目前为止还没有实际的
模型提出。
1.2.7 磁双极晶体管
磁双极晶体管的构造和普通的双极晶体管类似,它是将两个磁 p − n 结连接在一
起,并在连接处接上第三跟导线作为基极 [62–66, 68]。如图1-10中的上图所示,通常
用 n 型重掺杂的材料做发射极,用 n 型轻掺杂的材料做集电极,用 p 型掺杂的材料做
基极。三个区均连有电极,形成基极与发射极电势差 Vbe 和基极与集电极电势差 Vbc,
通过调节这两个电势差,就可以实现不同的功能,如放大电流和快速逻辑运算等。磁双
4○ 实际上后者只是将前者的空穴能量反号,变成价带电子能量
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