本文探讨了自旋的输运性质及其相关的输运现象，特别是半导体自旋电子学发展过程中出现的两个最重要的现象：自旋霍尔效应及量子自旋霍尔效应。　　 在第一章中，作者首先回顾了自旋电子学的发展进程，并指出半导体自旋电子学是实现新型多功能器件的基础。接着对自旋霍尔效应和量子自旋霍尔效应在理论和实验研究中的进展进行了系统的总结和讨论。　　 由于目前自旋相关输运现象的微观起源仍然存在很大的争议，在第二章中，根据非平衡统计输运的一般原理，建立起一整套宏观自旋-电荷耦合方程。并将自旋矩对电流的贡献包含在其中，从而在一个统一的框架下，仅由系统的对称性来决定自旋相关的输运现象是否存在。从系统的对称性出发，研究了在各向同性的磁性和非磁性二维电子气系统的自旋电荷输运方程，并给出了相应的爱因斯坦关系和昂萨格关系。发现前者的自旋.电荷输运只需要由三个参数来描述：自旋霍尔系数、自旋电导率及自旋弛豫时间。此外，还提出了并设计了用于快速测定自旋霍尔系数的实验方法：通过由自旋非平衡分布引起的逆自旋霍尔效应。通过对实验结果进行解析推导，发现待测电流主要依赖于自旋的分布。最后进一步讨论了实验中的非理想因素对实验结果的影响。　　 第三章利用随机矩阵理论研究了具有多边缘态的二维量子自旋霍尔绝缘体体系在存在杂质时的系综统计。指出量子自旋霍尔绝缘体边缘态独特的系综统计是Z2分类的物理表现形式。建立了具有奇数对边缘态的新型一维量子导体的DMPK方程，并分别对扩散区和局域化区进行了解析求解。同时得到了电导的弱局域化修正和电导方差。利用蒙特卡洛方法数值求解了DMPK方程，对导电通道分别为偶数和奇数情况进行了比较，并给出了不同区域的电导分布。最后采用迭代格林函数方法，研究了实际二维量子自旋霍尔绝缘体体系的电导的弱局域化修正和电导方差。发现结果与DMPK方程的求解结果非常吻合。这也证实了二维量子自旋霍尔绝缘体体系等效于一种新型的一维量子导体，可以用我们推导的DMPK方程来描述。最后讨论了用于实现作者理论预言的实验构架。　　 第四章提出一种对量子自旋霍尔绝缘体简单易行的完全电学测试方法：多端电导矩阵。指出量子自旋霍尔效应具有独特的多端电导矩阵形式，可用于表征量子自旋霍尔效应，并可用来作为区分量子自旋霍尔效应、量子霍尔效应及正常金属相的判据。数值研究了多端电导矩阵对非磁性杂质、磁性杂质、Rashba自旋轨道耦合强度及电极弱接触的稳定性，也即间接表明量子自旋霍尔效应的稳定性。此外还详细介绍了求解格林函数的迭代方法。　　 最后一章给出结论。