材料中的磁电输运现象不仅包含了丰富的物理,而且在信息存储、磁传感器等领域也具有广泛的应用前景,是人们研究的热点课题。本论文中,我们以主流半导体硅为平台,研究了半导体非线性输运性质对磁电输运现象的增强效应,并利用这种增强效应设计了新型磁逻辑器件。本文首先研究了硅基二极管增强磁电阻现象的机理。我们采用二端电阻网络和四端电阻网络建立模型,分别对一维和二维结构的磁电阻器件进行分析。发现了实验中电阻态转变是由于二极管的非线性输运性质,磁场通过正常磁电阻效应和霍尔效应影响电阻转变点的电流值。在电阻转变区域内,磁电阻值可以得到增强。我们还研究了几何长宽比、非均匀性、电极对称性和二极管非线性对磁电阻性能的影响,并优化几何结构提升了器件磁电阻性能。进一步,为了提高磁电阻器件的低磁场性能,我们采用MgO/CoFeB/Ta垂直磁化薄膜体系中的反常霍尔效应替代硅中的正常霍尔效应,设计并实现了垂直磁化薄膜基二极管增强磁电阻器件。这种磁电阻器件结合了磁性材料磁电阻器件中低磁场和非磁性半导体磁电阻器件中高磁电阻的优点,可以在1 mT磁场下实现超过2×104%的巨大磁电阻值。随后,我们利用二极管增强磁电阻器件中的特殊磁电对称性,提出了二极管增强磁逻辑器件。以磁体的磁化方向作为逻辑输入,磁逻辑器件的测量电压作为逻辑输出。可以通过改变加载电流值和二极管的位置,首次在单个硅磁逻辑器件中实现包括AND、OR、NAND和NOR在内的所有四种基本布尔逻辑运算。而且这类磁逻辑器件可以同时满足结构简单、高输出比（>103%）和低工作磁场（1 mT）的要求。最后,我们结合半导体中的微分负电导效应和磁性材料中的反常霍尔电流效应提出了一种电流型磁逻辑器件。以磁性单元的磁化作为逻辑输入,通道电流高低作为逻辑输出。可以通过控制磁性单元的磁化方向和选择输出通道,实现包括AND、OR、NAND和NOR在内的所有四种基本布尔逻辑运算。进一步,我们在进行磁逻辑运算的同时,利用自旋轨道力矩效应把逻辑结果（输出电流）直接写入到输出单元中,实现非易失信息的读取、运算和写入在同一个时钟周期内完成。在这种磁逻辑中,非易失存储和可编程逻辑运算可以紧密结合在一起,从而可以提高计算能力、降低计算功耗。