自旋电子学器件由于其有较小的单元尺寸,更低的功耗和新兴的电荷—自旋集成功能,因此可能成为超越摩尔定律物理极限的下一代电子器件。在众多半导体中,在硅上实现自旋电子学具有特殊的意义,因为硅是半导体行业中最普遍应用的材料,而且成熟的硅技术可以大大促进自旋电子器件的生产和大规模应用。由于硅缺乏晶格反演对称性,因此具有较长的自旋寿命和扩散长度,以及弱的自旋轨道耦合和原子核超精细相互作用,故硅已经被认为是一种自旋电子学的理想载体。在过去的十年里,硅基自旋电子学已经取得了里程碑式的进展。在2007年和2009年分别实现了在低温下和室温下通过铁磁体/绝缘层/硅(FM/I/Si)隧道接触的电自旋注入。之后,一系列采用不同绝缘层材料,如A12O3,Si02以及单晶MgO,的隧道接触都实现了硅上的自旋注入,但是都存在着自旋极化率不够高、自旋信号不够强等问题。因而,在硅基自旋电子学领域,如何获得清晰可靠的自旋信号,以及如何理解FM/I/Si接触中的自旋输运过程仍然存在着挑战,需要更进一步的研究。在第二章中,我们对非平衡格林函数法做了简要介绍,包括自洽的格点非平衡格林函数(NEGF)法和用散射态波函数展开的非平衡格林函数法。在本论文中采用格点NEGF法,可以计算出包含隧道势垒和肖特基势垒的任意能带结构的透射系数,且通过n-Si中依赖温度的费米能级和费米迪拉克分布,可以将热电子发射过程考虑进去。我们给出了基于FM/I/Si结构的自旋输运相关模型,包括双电流模型,F/N/F结,以及Fert的理论模型。根据Fert的模型,要想在半导体中观测到明显的自旋信号,要求将接触电阻调制到最佳窗口区域,接触电阻既不能太小也不能太大,太小难以克服电阻率失配,而如果太大,则电子的渡越时间会小于自旋寿命。在第三章中,我们计算了在不同势垒材料下FM/I/n-Si隧道接触的有效接触电阻、注入电流的自旋极化率、接触电阻的自旋不对称系数,以及垂直构型的自旋金属-氧化层-半导体场效应晶体管(SpinMOSFET)结构的磁阻比率。我们发现低势垒材料(例如Ta205和Ti02)的接触电阻比传统的隧道接触要小几个数量级。因此对于Ta205和Ti02接触会有最大的磁阻信号以及最佳的参数窗口。有趣的是,我们发现对于Ti02接触的自旋不对称系数γ为负值,同时对于Ta205接触,当随着势垒层厚度、偏压和温度变化时,γ值会由正变为负。低势垒隧道接触的最佳自旋信号和独特的自旋不对称性质可以被用来设计有效的自旋电子学器件。在最后一章,我们对工作做了总结并且对后续工作进行了展望。