Ѕаза знаний студента. –еферат, курсова€, контрольна€, диплом на заказ

курсовые,контрольные,дипломы,рефераты

»стори€ развити€ криоэлектроники — –адиоэлектроника

ѕосмотреть видео по теме –еферата

ћинистерство общего и профессионального образовани€

–оссийской ‘едерации

јнгарский √осударственный “ехнологический »нститут

‘акультет технической кибернетики

 афедра промышленной электроники и вычислительной техники

–еферат†† на† тему:

»стори€ развити€

криоэлектроники

¬ыполнил:

—туденты гр. ѕЁ-99-3

‘.».ќ. Ўереметьев ј.Ќ.

 озьмин ё.√.

студент гр. ѕЁ-99-2

 узьмин ј.ј.

ѕрин€ла:

“ерлецка€ Ћ.ј.

†††† јнгарск† 1999 г.

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

ѕлан:

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ††††††† стр.

1.     ¬ведени円†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 3

2. †„асть 1

†††††††† »сторические аспекты криоэлектроник膆††††††††††††††††††††††††††††††††††† 4

3. †„асть 2 ††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

†††† ќсновные направлени€ криоэлектроник膆†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 7

4.† „асть 3

†††† ћикроэлектроника и холо䆆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 13

††††††††

ѕерспективы применени€ структур на основе контак-

тов сверхпроводников с полупроводниками в криоген-

ной микроэлектроник円†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† †††††††† 15

††††††††††

5. †«аключени円††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

†† Ќовые проблемы и пути их решен舆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† †††††††† 17

6.†† ¬ыво䆆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 20†††††

7.†† ѕриложени円†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 21

8.†† —писок литературы†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† 26

1. ¬ведение

†† риогенна€(от греческого "криос" - холод, мороз)† электроника, или криоэлектроника,

направление электроники, охватывающее исследование при криогенных температурах (ниже 120   ) специфических эффектов взаимодействи€ электромагнитного пол€ с носител€ми зар€дов в твердом теле и создание электронных приборов и устройств, работающих на основе этих эффектов, - криоэлектронных приборов.

†  риоэлектроника - одна из основных и весьма перспективных отраслей науки. ≈Є интенсивному развитию способствовали, с одной стороны, широкие исследовани€ €влений, происход€щих в твЄрдом теле при низких температурах, и практическое применение полученных результатов в различных отрасл€х радиоэлектроники (в первую очередь в космической радиоэлектронике), а с другой† - определенные достижени€ криогенной техники, позволившие на основании как новых, так и ранее известных принципов разработать экономичные, малогабаритные и надежные системы охлаждени€.

† «начительным стимулом к развитию криоэлектроники послужило также и то немаловажное обсто€тельство, что при создании современных электронных устройств - высокочувствительной радиоприемной аппаратуры, быстродействующих электронных вычислительных машин и др. - конструкторы подошли буквально к пределу возможностей радиоэлектроники, принципиально достижимому в обычном интервале температур. »спользование низких температур позвол€ет преодолеть это преп€тствие и открывает новые пути в разработке радиоэлектронных систем.

† ¬о-первых, глубокое охлаждение способствует значительному улучшению технических и экономических параметров радиоэлектронных устройств - преимущества компактных сверхпровод€щих запоминающих устройств большой емкости и быстродействи€ дл€ Ё¬ћ, сверхпровод€щих магнитов и другой аппаратуры неоспоримы. ¬о-вторых, возникающие в услови€х глубокого охлаждени€ €влени€, которые присущи только такому состо€нию вещества, позвол€ют создавать принципиально новые приборы. »менно так, например, был сконструирован мазер, успешно используемый в спутниковых системах св€зи, радиоастрономии и т.д.

†  риоэлектроника изучает особенности поведени€ радиоэлектронных компонентов и материалов при очень низких температурах ( 0-20   ), в частности такие необычные €влени€, как сверхпроводимость.

† ƒл€ работ в области криоэлектроники характерен большой размах лабораторных исследований. ѕоказательными €вл€ютс€ работы по созданию сверхпровод€щих накопителей энергии большой Ємкости. ѕредназначенные первоначально дл€ пузырьковых камер, сверхпровод€щие накопители энергии также успешно примен€ютс€ в качестве генераторов накачки дл€ мощных лазеров и другой радиотехнической аппаратуры. ¬ыход€т из стен лабораторий сверхпровод€щие линии задержки различного назначени€, криоэлектронные запоминающие устройства, охлаждаемые усилители и т. д.

† ѕоскольку криоэлектроника возникла на стыке нескольких различных научных направлений, первые публикации в этой области были св€заны с традиционными направлени€ми. ќднако уже с начала 60-х годов начинают по€вл€тьс€ специальные издани€, целиком посв€щенные криоэлектронике[1], и первые монографии[2].

„асть 1

»сторические аспекты криоэлектроники

† ¬опрос о минимально возможной температуре впервые привлек внимание исследователей еще около ста лет назад. Ќыне охлаждение до низких температур широко используетс€ на практике в различного рода устройствах и системах, особенно в радиоэлектронной аппаратуре. Ёто стало возможным благодар€ успешному решению проблемы сжижени€ газов.

† ’от€ многие газы сжижаютс€ сравнительно легко, первоначально считалось, что некоторые газообразные вещества при любых услови€х сохран€ют свое состо€ние неизменным. ќднако во второй половине XIX в. ученые добились определенных успехов в исследовании проблемы перехода веществ из газообразного состо€ни€ в жидкое. ¬ частности, было установлено. что каждый газ характеризуетс€ некоторой критической температурой, выше которой его невозможно сжижать только путем повышени€ давлени€. ¬ 1898 г. впервые был получен жидкий газ (водород), а в 1908 г. голландский физик  амерлинг-ќннес осуществил сжижение гели€, завершив тем самым первый этап работ по сжижению газов.

† ¬ последующие дес€тилети€ началось быстрое развитие методов использовани€ новых криогенных жидкостей-сжиженных газов в фундаментальных научных исследовани€х в промышленности. ќт лабораторных экспериментов, которые, кстати, привели к открытию €влени€ сверхпроводимости, перешли к производству сжиженных газов в промышленных масштабах. »х стали выпускать тоннами из смесей газов, например воздуха (раздел€€ его на состовл€ющие,Чкислород, азот и инертные газы).

„исто научный интерес и потребности промышленности стимулировали исследовани€ физических свойств материалов при глубоком охлаждении. “акого рода исследовани€ оказались особенно важными дл€ радиоэлектроники, где в 40Ч50-х годах по€вилось много новых материалов, в частности полупроводников. ƒес€тилетием позже интерес специалистов по радиоэлектронике к использованию криогенных жидкостей еще более возрос. — их помощью удалось улучшить параметры (в частности, повысить чувствительность) обычных радиотехнических схем и создать принципиально новые радиоэлектронные устройства, например мазер.

† Ќаиболее распространенные охлаждающие агенты (криогены) при нормальном атмосферном давлении имеют следующие температуры кипени€: He Ц 4K; H-20 ; NЧ77  ; ќЧ90  ; CO2 Ц 195K (симблирует)[3].

† „еткого и однозначного определени€ интервала криогенных (низких) температур нет, но чаще всего его ограничивают областью, простирающейс€ примерно от 100   до абсолютного пул€ (0  ). »ногда особо выдел€етс€ интервал 20 Ц 0 K, называемый интервалом гиперкриогенных (сверхнизких) температур. Ѕольшинство криогенных систем, используемых в радиоэлектронике, работает при нормальной температуре кипени€ жидкого гели€, то есть приблизительно при 4  .

† ќдной из важненейших проблем современной электроники считаетс€ проблема уменьшени€ степени неупор€доченности структуры вещества. ƒл€ этой цели примен€етс€ глубокое охлаждение.

† ћатериалы, примен€емые в электронике, обычно оценивают с точки зрени€ упор€доченности их химической (чистоты) и геометрической (кристаллической) структуры, а также упор€доченности движени€ частиц вещества (температуры). Ћюбые факторы, вызывающие отклонени€ в движении носителей зар€да между двум€ точками, уменьшают эффективную силу тока. ¬с€кого рода неупор€доченность структуры способствует таким отклонени€м, увеличива€ тем самым† электрическое† сопротивление† материала. ¬ сложных электронных системах требуетс€, чтобы электрический сигнал заданной формы проходил через материал без искажени€. ќднако неупор€доченность структуры материала приводит к уменьшению амплитуды сигнала и изменению его формы, так как ее вли€ние носит случайный характер. Ќапример, плавное синусоидальное колебание становитс€ искаженным, неровным, и в системе возникают нежелательные сигналы (помехи).

† ѕосмотрим, как различные типы неупор€доченности структуры проводника вли€ют на его удельное сопротивление.

† Ќарушени€ химической структуры, обусловленного присутствием даже незначительного количества примеси, достаточно, чтобы заметно увеличить удельное сопротивление металлического проводника. “ак, добавление к меди 0,1% фосфора приводит к уменьшению ее проводимости примерно на 50%, тогда как введение 1% кадми€ (дл€ получени€ сплава большей механической прочности) уменьшает его проводимость лишь немногим более чем на 10%.

† ¬ химически чистом материале геометрический пор€док его внутренней структуры может быть нарушен за счет остаточных напр€жений (деформаций), возникших при механической обработке. ѕоэтому после холодной прот€жки удельное сопротивление меди обычно возрастает на несколько процентов. ѕодобные нарушени€ физической упор€доченности, обусловленные остаточными напр€жени€ми, можно устранить или по крайней мере уменьшить путем отжига материала. ¬ли€ние различных типов геометрической упор€доченности особенно заметно в несимметричных кристаллах, например в цинке, где различие в удельном сопротивлении дл€ двух взаимно перпендикул€рных направлений в кристаллической решетке достигает 4%.

† ¬заимосв€зь химической и геометрической упор€доченности мы можем наблюдать в экспериментах но получению сплавов меди с золотом. ѕри увеличении концентрации золота удельное сопротивление случайной смеси возрастает. Ќо если случайную смесь. содержащую около 25% золота, отжигать в течение продолжительного времени, то обнаруживаетс€ тенденци€ к перегруппировке атомов в упор€доченную структуру сплава Cu3Au. ”дельное сопротивление резко падает, хот€ и остаетс€ выше, чем у чистой меди

† √овор€ о криоэлектронике, основное внимание следует уделить кинетической упор€доченности (упор€доченности движени€) частиц, так как понижение температуры обычно позвол€ет свести эту неупор€доченность к минимуму. ¬ проводнике кинетический беспор€док св€зан со случайным движением свободных электронов, а в любом твердом теле он обусловлен тепловыми колебани€ми атомов в кристаллической решетке. ѕри низких температурах оба типа неупор€доченности значительно уменьшаютс€.

† ¬ некотором отношении тепловое колебание атомов в твердом теле можно рассматривать как своеобразное нарушение геометрического пор€дка, поскольку в результате таких колебаний нарушаетс€ регул€рный шаг кристаллической решетки.  ак показал де Ѕройль, движению каждого атома кристаллической решетки можно приписать определенные волновые свойства. “аким образом, в любом твердом теле существуют упругие волны, распростран€ющиес€ со скоростью звука. Ёти волны представл€ют собой как бы локализованные, сосредоточенные пакеты (кванты) тепловой энергии, подобно тому как фотоны €вл€ютс€ локализованными пакетами электромагнитной энергии.  ванты тепловой энергии называютс€ фононами; как и фотон, каждый фонон характеризуетс€ энергией hf (где fЧчастота, соответствующа€ длине волны фонона) и количеством движени€ (импульсом). ¬ определенных случа€х фонон удобно рассматривать как частицу.

† “аким образом, можно считать, что твердое тело содержит хаотично, беспор€дочно перемещающиес€ фононы различных энергий, которые соудар€ютс€ с подвижными носител€ми зар€да, создающими в материале электрический ток. ѕри понижении температуры число таких фононов в материале уменьшаетс€ и поэтому его удельное сопротивление падает. ‘ононы играют в веществе определенную положительную роль: в процессе рекомбинации электронно-дырочной пары они обеспечивают сохранение количества движени€, благодар€ чему становитс€ возможным процесс рекомбинационной люминесценции.

† ѕолупроводники, используемые в электронике, обычно имеют очень высокую степень химической (а часто также и геометрической) упор€доченности. Ќизка€ температура позвол€ет значительно уменьшить в них нежелательный собственный ток, но дл€ ионизации атомов и, следовательно, образовани€ свободных носителей, как правило, необходимо определенное количество тепловой энергии. “очно так же, чтобы свести к минимуму шумы электронной лампы (то есть обеспечить беспреп€тственное движение электронов от катода к аноду), необходимо обеспечить надлежащую геометрию проводников в ее управл€ющих сетках. Ќо в то же врем€ общеизвестно, что дл€ нормальной работы лампы катод должен быть разогрет до высокой температуры, а потому ток эмиссии характеризуетс€ высокой степенью кинетической неупор€доченности, котора€ и обусловливает шумы.

† ќднако наиболее интересные и потенциально важные особенности радиоэлектроники низких температур свод€тс€ к исключительным, тонким ситуаци€м, которые возникают только тогда, когда неупор€доченность обычных типов сведена к минимуму.

† ¬ сверхпроводниках между парами электронов существует особый вид упор€доченности, благодар€ этому сопротивление материала становитс€ равным нулю и внутри него не возникает магнитного пол€. Ќо если температура материала достаточно высока, фононы разрушают эти упор€доченные пары электронов и сверхпровод€щее состо€ние исчезает. јналогичным образом упор€доченное состо€ние нарушаетс€ и материал возвращаетс€ в нормальное состо€ние и тогда, когда плотность тока или напр€женность внешнего магнитного пол€ превысит критическое значение.

† ¬ мазере особа€ форма упор€доченности про€вл€етс€ в том, что на более высоком из двух энергетических уровней находитс€ значительно больше атомов, чем на более низком. ќднако эта неустойчива€ форма равновеси€ быстро нарушаетс€ из-за тепловой неупор€доченности, после чего вновь восстанавливаетс€ нормальное равновесное состо€ние, при котором преобладают атомы с низкими энерги€ми. “ребуемое состо€ние неустойчивого равновеси€ можно обеспечить лишь путем подачи в систему энергии извне, причЄм† количество этой энергии тем меньше, чем ниже температура.

† ѕринципы, на которых основываютс€ сверхпровод€щие и лазерные системы, известны более полувека, но только в последние дес€тилети€ они получили широкое техническое развитие. ћазер использовалс€ в современных системах радиосв€зи, был достигнут значительный прогресс в области применени€ сверхпроводников в различных радиоэлектронных системах и устройствах: больших электронно-вычислительных машинах, крупных электродвигател€х и генераторах, электромагнитах, трансформаторах и лини€х передач электроэнергии. ќткрыти€ , вроде эффекта ƒжозефсона[4], также нашли своЄ применение в области очень низких температур, где беспор€дочные тепловые возмущени€ настолько малы, что становитс€ возможным наблюдать и использовать весьма тонкие, едва уловимые €влени€.

† ¬ последние дес€тилети€ все шире развертывались работы по созданию новых электронных приборов и сложных систем, основанных на свойствах твердого тела при криогенных температурах. Ётому способствуют не только успехи в физике низких температур и технике глубокого охлаждени€, но и по€вление новых проблем, которые не решаютс€ другими методами.  риоэлектроника охватывает широкий круг вопросов: от взаимодействи€ электромагнитных волн с твердым телом при сильном ослаблении тепловых колебаний решетки до методов охлаждени€ и конструировани€ криоэлектронных автономных приборов с корпусом-криостатом.

 

„асть 2

ќсновные направлени€ криоэлектроники

†  аждое новое направление в науке и технике имеет свою историю развити€. ≈сть сво€ истори€ и у криоэлектроники, котора€ с первых же шагов открыла пути создани€ принципиально новых приборов. явлени€ физики твердого тела при низких температурах, дающих доступ к глубинным квантовым свойствам вещества в конденсированном состо€нии, совместно с €влени€ми физики низких температур, выделившейс€ в самосто€тельную науку, составили научную базу криоэлектроники. ’от€ слово Ђкриосї означает просто Ђхолодї, криогенными прин€то считать лишь те температуры, при которых тепловые колебани€ решетки вещества сильно ослабл€ютс€ и в веществах начинают про€вл€тьс€ дальний пор€док и эффекты, замаскированные тепловым движением частиц при обычных температурах. Ёто и приводит, в конечном счете, к тем удивительным особенност€м сверхпроводников, в которых квантовые эффекты про€вл€ютс€ в макроскопических масштабах, а также к целому р€ду качественно новых €влений и эффектов в других материалах. ќбласть криогенных температур, при которых четыре газа (азот, неон, водород и гелий) превращаютс€ в криогенные жидкости, можно условно разделить на четыре температурные зоны: азотную (80  ), неоновую (27  ), водородную (20  ) и гелиевую (~ 4,2  ) “емпературы много ниже точки кипени€ жидкого гели€ выдел€лись в отдельную область Ђсверхнизкихї температур, причем многие эффекты в твердом теле €вл€ютс€ характерными только дл€ этой, пока еще экзотической области.

† ≈сли попытатьс€ свести в одну таблицу некоторые свойства диэлектриков, полупроводников, полуметаллов, бесщелевых и узкозонных полупроводников, нормальных металлов и сверхпроводников, которые наблюдаютс€ при криогенных температурах, то эта условна€ таблица имеет следующий вид[5]. ¬ таблицу включены в основном свойства, на основе которых начато или ожидаетс€ создание принципиально новых криоэлектронных приборов. ¬есьма внушительным будет перечень новых открытий и эффектов при криогенных температурах, на основе которых еще не создан ни один прибор, но их реализаци€ в электронике может дать много полезного и неожиданного.

†  онечно, порой трудно провести четкую границу между низкотемпературными и высокотемпературными €влени€ми в отдельных материалах, поэтому в таких случа€х в табл. є1 подразумеваютс€ те материалы, которые без охлаждени€ практически неприменимы (полуметаллы, узкозонные полупроводники и др.). ѕринцип построени€ табл. є 1 подсказывает принципы делени€ криоэлектроники на направлени€ в соответствии с типом примен€емого материала: например, сверхпроводникова€ криоэлектронника на основе сверхпроводников, полупроводникова€ криоэлектроника на основе охлажденных полупроводников и полуметаллов и т. д. “ак это произошло со сверхпроводниковыми приборами, как бы обособившимис€ от приборов на базе других материалов в силу фундаментальности €влени€ сверхпроводимости. ќднако возможен и другой принцип, пробивающий себе дорогу: по выполн€емым криоэлектронными приборами функци€м, по диапазонам частот, по технологическим методам, положенным в основу изготовлени€ прибора.

† ¬се криоэлектронные приборы в зависимости от температуры охлаждени€, примен€емых материалов и €влений в них могут быть разделены на издели€ (приборы) азотного, неонового, водородного и гелиевого уровней охлаждени€. ”ровень охлаждени€ во многом определ€ет параметры и области применени€ криоэлектронных изделий.

† ≈ще в 40-х годах были предприн€ты попытки создать высокочувствительные, Ђнешум€щиеї приемники дл€ индикации слабого теплового излучени€ в »  диапазоне.

† “ак, по€вились угольный болометр, охлаждаемый до температуры жидкого гели€, болометр на основе p-Ge, легированного гелием, работающий при 2,15  , а затем сверхпровод€щий приемный элемент на основе тонкой фольги из нитрида ниоби€.

† Ѕыли созданы первые переключатели† со сверхпровод€щим соленоидом.

† ¬ 1954 г. произошло большое событие: Ѕакк предложил принципиально новый электронный прибор и дал ему им€ Ђкриотронї. ¬след за этим прибором на базе механизма возникновени€ отрицательного сопротивлени€ в полупроводниковом кристалле, охлажденном до такой степени, что примеси в нем были Ђвымороженыї, был предложен еще один новый прибор Ч Ђкриосарї.

† ѕроблема использовани€ квантовых резонансных свойств твердого тела при низких температурах дл€ приема сверхслабых —¬„ сигналов привела к созданию квантовых парамагнитных††† усилителей (мазеров). ћазеры по€вились вскоре после того, как Ќ. √. Ѕасов и ј. ћ. ѕрохоров предложили так называемый Ђтрехуровневы醆 методї (метод Ђнакачкиї) создани€ избыточной населенности верхнего энергетического уровн€, необходимый дл€ получени€ эффекта†† Ђотрицательного поглощени€ї, а Ќ. Ѕломберген предложил использовать в качестве активного вещества дл€ таких мазеров парамагнитные кристаллы, наход€щиес€ при гелиевых температурах. ¬скоре ј. ћ. ѕрохоровым, Ќ. ¬.  арловым, ј. ј. ћаненковым и др. были созданы резонаторные парамагнитные —¬„ усилители,† с помощью которых была продемонстрирована†† перспективность комплексного использовани€ двух криоэлектронных материалов: парамагнетиков и сверхпроводников. ¬. Ѕ. Ўтейншлейгером, √. —. ћисежниковым и др. были разработаны мазеры бегущей волны, в которых криоэлектронные элементы защиты входа усилител€ были построены на полупроводниках. –аботы по исследованию вырожденных и невырожденных†† р-n переходов при низких температурах, широко известные работы по физике низких температур в »нституте физических проблем, ‘изическом институте јЌ ———–, »нституте радиотехники и электроники, ‘изико-техническом† институте јЌ ———–, работы украинских физиков проложили дорогу электронике к новым €влени€м, возникающим† при сильном ослаблении тепловых колебаний решетки.

† ¬ 1963 г. в ———– вышел в свет первый научно-технический сборник по охлаждаемым электронным приборам и сложным устройствам в корпусе-криостате. ¬след за ним в 1964 г. в —Ўј группой в составе “. Ўмидта и др. был также выпущен сборник, в названии которого впервые было напечатано Ђкриогенна€ электроникаї. ≈сли до этого примен€лись различные термины: Ђрадиотехника низких температурї, Ђкриотроникаї, Ђрадиоэлектроника сверхнизких температурї и др., то теперь положение изменилось. —тало €сно, что назрела пора оформлени€ нового перспективного направлени€ электроники, основанного на сверхпроводимости и других €влени€х в твердом теле при криогенных температурах, которому окончательно присвоили название Ђкриоэлектроникаї или Ђкриогенна€ электроникаї. ¬ попытках загл€нуть в будущее криоэлектроники, предприн€тых за последние 15 лет в р€де обзорных и проблемных работ, можно выделить два крупных этапа. ѕервый этап относитс€ к 1962Ч1966 гг., когда в ———– и —Ўј по€вились оптимистические прогнозы вскоре после разработки дискретных криоэлектронных приборов: криотронных пленочных схем, детекторов »  диапазона и —¬„ усилителей на охлажденных полупроводниковых структурах с р-n переходом. Ётому этапу предшествовало создание микроскопической теории сверхпроводимости, установление, ее св€зи с феноменологической теорией √инзбургаЧЋандау (√Ћ), открытие квантовых макроскопических €влений, включа€ открытие эффекта ƒжозефсона, синтез новых сверхпровод€щих материалов и разработка квантовых парамагнитных —¬„ усилителей со сверхпровод€щим соленоидом в гелиевом криостате[6].

† ¬торой этап прогнозов (1969Ч1973 гг.) был стимулирован развитием технологии полупроводниковой микроэлектроники, созданием работоспособных сверхпровод€щих туннельных, мостиковых переходов на эффекте ƒжозефсона, структур на узкозонных соединени€х (InSb,InAs) и твердых растворах (BiSb, CdHgTe, PbSnTe), а также нелинейных кристаллов-параэлектриков, которые не переход€т в сегнетоэлектрическую фазу при низких температурах(SrTiO3), и сегнетоэлектриков с низкой температурой  юри-¬ейсса. јнализ работ по криоэлектронике за последние 10Ч 15 лет показывает, что основные идеи этих прогнозов подтвердились, хот€ огромные успехи микроэлектроники, открыва€ новые технологические возможности, в р€де случаев поставили под сомнение целесообразность широкого применени€ некоторых криоэлектронных приборов, например пленочных криотронов.  риоэлектроника стала привлекать не только исследователей, работающих в области электроники, но и специалистов по физике твердого тела, которые ранее электронными приборами не увлекались, специалистов-Ђкомплексниковї, которые ранее стремились любой ценой избавитьс€ от необходимости внедрени€ криогенных элементов в аппаратуру, специалистов в области космонавтики и астрономии. Ёто во многом объ€сн€етс€ успехами космической криогенной техники и тем, что с каждым п€тилетием все глубже во все сферы жизни человека проникают средства »  диапазона волн. ƒействительно, в наши дни трудно указать область науки и техники, в которой не примен€лись бы инфракрасные устройства. —пецифические особенности »  излучени€ как носител€ информации став€т его в один р€д со светом и радиоизлучением. ѕоскольку тепловое излучение тел св€зано непосредственно с их термодинамическим состо€нием, оно содержит полные сведени€ о температуре источника.  роме того, спектральный состав излучени€ зависит от материала поверхности и вида излучаемых различными телами частиц, например газов. ѕоэтому он несет в себе информацию о веществе и состо€нии поверхности источника излучени€. Ёти качества »  излучени€, позвол€ющие вы€вл€ть внутренние свойства объектов и наблюдать глубинные процессы, протекающие в них, способствуют привлечению его дл€ решени€ таких задач, в которых получить указанную информацию с помощью других сигналов не удаетс€. ќсобенно заметный сдвиг в развитии криоэлектронной ѕ  техники был сделан в св€зи с изобретением охлаждаемых твердотельных лазеров »  диапазона и освоением космического пространства. Ётот сдвиг был вызван еще и тем, что в космосе имеютс€ идеальные услови€ дл€ распространени€ »  излучени€ и сравнительно однородный фон неба, отсутствует поглощающа€ и рассеивающа€ среда и имеютс€ услови€ дл€ использовани€ естественного охлаждени€ приЄмных элементов за счет тепловой радиации либо за счет применени€ отвердевших газов.

†  осмическа€ св€зь, локаци€ и наведение кораблей, поиск и обнаружение теплоизлучающих объектов, дистанционное измерение температур, спектральный анализ атмосферы планет, тепловидение в медицине, промышленности и геологии - все это новые задачи, решать которые призвана криоэлектронна€ техника »  диапазона. ƒругое направление, вызвавшее по€вление новых средств и криоэлектронных приборов - это дистанционные исследовани€ природных ресурсов «емли и планет во всЄм спектре »  волн: от ближнего »  до субмиллиметрового диапазона[7].

† »нфракрасные системы дистанционного зондировани€ развиваютс€ столь стремительно, что почти все отрасли народного хоз€йства, включа€ промышленность, морской флот, сельское хоз€йство, геологию будут получать все больше ощутимой пользы от внедрени€ этих систем. Ќе менее быстро развиваютс€ космические радиотелескопы, как автоматические, так и обслуживаемые космонавтами. ƒл€ того, чтобы эти телескопы, позвол€ющие изучать объекты в наименее доступных с поверхности «емли дальнем »  диапазоне и участке субмиллиметровых волн, могли длительное врем€ работать в космосе, их криоэлектронна€ приемна€ часть должна представл€ть единое целое с криогенной установкой замкнутого цикла. —овсем недавно бортова€ криогенна€ установка даже азотного уровн€ охлаждени€ была мечтой, а теперь при полете орбитального научно-исследовательского комплекса Ђ—алют-6ї-Ђ—оюз-27ї на борту станции уже успешно работала криогенна€ установка, обеспечивающа€ получение температуры 4,2   дл€ криоэлектронного приемника субмиллиметрового диапазона волн. ѕроведение космонавтами ё. –оманенко и √. √речко испытани€ впервые созданной учеными ‘изического института јЌ ———– и советскими специалистами по микрокриогенной технике малогабаритной криоэлектронной приемной системы гелиевого уровн€, включение, юстировка и осуществление измерений на телескопе открыли новую страницу в криоэлектронике. ћощным дополнительным толчком послужили запуски не только на эллиптические, но и на стационарные орбиты спутников-ретрансл€торов, позволившие создать во многих странах спутниковые системы св€зи и телевидени€ и начать продвижение рабочих частот спутниковых систем в область все более высоких частот, включа€ диапазон миллиметровых волн и в перспективе дальний »  диапазон. Ёнергетический голод заставил человечество срочно искать новые источники энергии, и взоры обратились к криогенному газуЧводороду, €вл€ющемус€ прекрасным топливом,Ч назрела пора водородной энергетики.  риоэнергетика, криобиологи€, криохими€, криомедицина стремительно возникали, усилива€ всеобщую тенденцию к использованию в технике свойств веществ при низких температурах.

† ѕо мере того как в радиоэлектронике назревал коренной поворот, обусловленный развитием технологической базы микроэлектроники, это т€готение к низким температурам охватило и микроэлектронное аппаратостроение. ќдна за другой возникали новые проблемы, решение которых известными методами интегральных схем при обычных температурах было в принципе невозможно или настолько затруднено, что их практическа€ реализаци€ ставилась под сомнение. ¬ то же врем€ одно за другим следовали открыти€ новых €влений в пленочных структурах при низких температурах, не реализованных в микроэлектронике. ќднако криоэлектроника все-таки развивалась не так быстро, как другие ветви микроэлектроники. ѕричин, тормозивших ее развитие, было немало, прежде всего: недостаточна€ изученность электронных процессов в охлажденных структурах и пленках на базе твердого тела, недостаточность реальных конструкторско-технологических идей по созданию интегральных электронных приборов на основе этих процессов и особенно надежных, воспроизводимых многоэлементных, многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами, а также практических методов снижени€ удельного веса затрат на охлаждение интегральных приборов до уровн€ затрат на обычное термостатирование и увеличение срока непрерывного действи€ охлажденных устройств. ѕоэтому криоэлектроника €вл€етс€ комплексной областью знаний и включает несколько основных направлении: криоэлектронное материаловедение; —¬„ криоэлектронику на объемных компонентах; сверхпроводниковую криоэлектронику; криоэлектронную »  технику, интегральную криоэлектронику и технику криостатировани€. –ассмотрим основные из данных направлений.  риоэлектронное материаловедение охватывает изучение электронных и магнитных €влений в охлажденных твердых телах, в том числе и в отвердевших газах, разработку технологии и синтез новых материалов с заданными свойствами в области криогенных температур с целью создани€ новых дискретных криоэлектронных элементов, функциональных радиоэлектронных приборов и микроохладителей.

† —¬„ криоэлектроника включает создание нового класса микроприборов: охлаждаемых параметрических и транзисторных усилителей, смесителей, детекторов и сложных многофункциональных приемных модулей на объемных сверхпровод€щих, полупроводниковых и других компонентах, представл€ющих сочетание фильтров, усилителей, циркул€торов, конструктивно объединенных в одной оболочкеЧкриостате и св€занных с криогенной установкой. —¬„ криоэлектроника на объемных компонентах €вл€етс€ большим комплексным направлением и охватывает весьма широкий круг задач: от технологии создани€ активных и пассивных —¬„ элементов до разработки функциональных приборов и сложных приемных модулей, €вл€ющихс€ по существу самосто€тельными радиоприемными устройствами.

† —верхпроводникова€ криоэлектроника, начавша€с€ с создани€ криотрона, развивалась по пути разработки дискретных приборов, основанных на сверхпроводимости, с уникальными характеристиками: сверхпровод€щих —¬„ резонаторов[8] с добротностью до 109, —¬„ линий задержки и коаксиальных кабелей, практически не имеющих потерь, мощных микромагнитов. ¬ыдающимс€ достижением стало создание на основе эффекта ƒжозефсона сверхпровод€щих магнитометров, обладающих недостижимыми прежде параметрами, индикаторов сверхмалых напр€жений и токов, а также детекторов субмиллиметрового диапазона волн.

†  риоэлектронна€ »  техника вначале тоже включала дискретные элементы: охлаждаемые тепловые »  приемники (болометры), спектральный диапазон которых зависит от характеристик оптических фильтров, и фотонные, селективные, »  приемники, основанные на применении собственных узкозонных и примесных полупроводников, фоторезистивных и фотовольтических свойств охлажденных структур в различных участках »  диапазона.

† ѕоток открытий и идей в физике низких температур, физике тонких пленок, хлынувший после создани€ микроскопической теории сверхпроводимости и синтеза низко температурных материалов, успехи технологии распахнули двери и новый мир. —имбиоз новейшей технологии. микроэлектроники с физическими принципами и материалами криоэлектроники привел к переходу от дискретного уникального криоприбора к интегральному криоэлектронному модулю, т. е. к интегральной криоэлектронике. –одились новейшие направлени€ интегральной криоэлектроники со своими проблемами и перспективами, из которых наибольшее развитие получают:

Ч † интегральна€ криоэлектроника »  диапазона (приборы с зар€довой св€зью, многоэлементные »  приемники, »  лазеры и др.);

Ч † интегральна€ —¬„ криоэлектроника (интегральные схемы —¬„ усилителей, циркул€торов, фильтров, смесителей и др.);

Ч      интегральна€ криоэлектроника на основе слабосв€занных сверхпроводников дл€ вычислительной техники (интегральные схемы логики и пам€ти) .

«начительное увеличение удельного веса работ по интегральной криоэлектронике отражает суть нового этапа в развитии криоэлектроники, обусловленного успехами технологии пленочных и полупроводниковых схем микроэлектроники. »спользование достижений технологии изготовлени€ интегральных схем в криоэлектронике открыло пути комплексной микроминиатюризации р€да электронной приемной аппаратуры при одновременном качественном улучшении ее основных параметров. “акому положению способствуют глубинные процессы, происход€щие в электронике.

Ч † интеграци€ большого числа элементов в одном криостатируемом корпусе;

Ч      создание многокомпонентных гетероструктур, в том числе на основе узкозонных материалов;

Ч † интеграци€ €влений, функций и разнородных материалов в одной структур円 на основе контактов сверхпроводник - полупроводник, параэлектрик - сверхпроводник;

Ч      применение криогенной технологии (крионасосов, криогенного охлаждени€ подложек, охлаждени€ химических веществ дл€ проведени€ уникальных реакций методом туннелировани€ при низких температурах) дл€ создани€ криоэлектронных элементов. »счезновение активного сопротивлени€ в сверхпроводниках при криогенных температурах в широком спектре частот позвол€ет практически полностью устранить тепловые потери, повысить к. п. д. элементов и создать резонаторы с добротностью до 108Ч1012 вместо 103Ч104 на частотах вплоть до 10Ч30 √√ц. Ќа основе эффекта ƒжозефсона и €влений в контактах сверхпроводникЧ полупроводник могут быть разработаны высокочувствительные датчики, измер€ющие напр€жени€ 10-16 ¬, видеодетекторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн с чувствительностью 10-15 ¬т/√ц1/2, тонко-пленочные интегральные схемы пам€ти и логики с быстродействием 10-11 с, работающие почти без выделени€ тепла, магнитометры с чувствительностью на 5 пор€дков выше, чем у наилучших известных приборов.

† ¬ымораживание примеси в полупроводнике при уменьшении тепловой энергии решетки ниже энергии ионизации примеси, устранение собственной проводимости в узкозонных полупроводниках, токов термоэлектронной эмиссии в барьерах Ўоттки за счет охлаждени€ открывают пути дл€ приема излучений в недоступных кремниевым фотодиодам и ѕ«— участках спектра, вплоть до дальнего »  диапазона.  ремниевые ѕ«— с барьерами Ўоттки при азотных температурах охватывают диапазон до 3,5 мкм, ѕ«— на основе InSb и кремниевые ѕ«—, легированные In, до 3Ч5 мкм, гибридные ѕ«— с применением HgCdTe, PbSnTe имеют в дальнем »  диапазоне пороговую чувствительность, приведенную к единичной фотоприемной площадке 1 см2, при азотных температурах пор€дка 10-10-10-11 ¬т/√ц1/2, если отношение сигнал/шум равно 1. √лубокое охлаждение решетки твердого тела приводит к значительному уменьшению тепловых шумов, €вл€ющихс€ принципиальным органичением при повышении чувствительности электронных приборов, особенно в —¬„ и »  диапазонах. Ўумова€ температура охлажденных полупроводниковых усилителей может достигать 5Ч20   в широком диапазоне частот, а шумова€ температура смесител€ на контакте полупроводник - сверхпроводник на частотах ~1010 √ц составл€ет при гелиевых температурах рекордно малую величину Ч †††††† около 13  , гетеродинный приемник лазерного излучени€ имеет при 77   чувствительность около 10-20 ¬т/√ц1/2 в »  диапазоне.

† »нтенсивное развитие интегральной криоэлектроники тесно св€зано с созданием криостатов с жидким и твердым хладоагентом и микрокриогенных систем с замкнутым циклом, не требующих периодического пололнени€ жидким или газообразным хладоагентом. —оздание криостатов с охладител€ми типа ћакмагонаЧƒжиффорда позволило надежно освоить диапазон на стыке водородных и гелиевых температур, по€вились микрокриогенные системы гелиевого уровн€.  риостаты с дроссельными микроохладител€ми после применени€ в них газовых смесей станов€тс€ конкурентоспособными по сравнению с другими системами. Ќачинаетс€ внедрение гибридных электронных охладителей на основе эффектов ѕельтье, Ёттингсгаузена. —ущественной особенностью этих охладителей €вл€етс€ слаба€ зависимость относительного термодинамического к. п. д. от холодопроизводительности, в то врем€ как соответствующий коэффициент газовых машинных охладителей резко снижаетс€ при уменьшении холодопроизводительности. “аким образом, можно будет сн€ть ограничение с минимально достижимой холодопроизводительности, что, в свою очередь, уменьшает размеры всей охлаждающей системы. »менно в области криогенных систем малой холодопроизводительности электронное криостатирование, в задачи которого входит создание криогенных твердотельных электронных микроохладителей на различные уровни температур вплоть до сверхнизких, будет, по-видимому, наиболее конкурентоспособным. »нтегральна€ криоэлектроника позволит в дальнейшем объединить в одном твердотельном модуле электронную охлаждаемую схему с электронным охладителем, что €вл€етс€ способом создани€ полностью твердотельных криоэлектронных интегральных схем. ¬ такой необычной схеме охладительна€ часть также может быть выполнена методами интегральной технологии и иметь один и тот же источник питани€. ѕри этом предварительное охлаждение может осуществл€тьс€ не электронными методами, что важно дл€ разработки микроэлектронных систем с большой степенью интеграции, например антенных фазированных решеток. –азвитие интегральной криоэлектроники как новой отрасли микроэлектронной техники непрерывно ставит перед исследовател€ми новые задачи:

Ч † создание электронных приборов с принципиально новыми свойствами на основе открытых физических низкотемпературных €влений путем использовани€ технологии интегральных полупроводниковых схем;

Ч † изменение физических свойств структур за счет глубокого охлаждени€ дл€ получени€ принципиально нового прибора;

Ч † создание новых конструктивных и технологических методов с целью сочетани€ в одном электронном функциональном модуле свойств криоэлектронного прибора и микроохладител€;

Ч      комплексна€ микроминиатюризаци€ охлаждаемых многофункциональных узлов аппаратуры с одновременным улучшением ее электрических параметров.

 

 

 

„асть 3

ћикроэлектроника и холод

† ћикроминиатюризаци€ в области электронно-вычислительной техники Ч важнейшее направление научнотехнического прогресса.

† Ќа основе полупроводниковых интегральных схем можно было бы создать мощную Ё¬ћ размером всего со школьный ранец, если бы был предложен эффективный способ отвода тепла от такого устройства. Ќо это оказалось непосильной дл€ современной техники задачей: устройство должно выдел€ть до киловатта энергии каждую секунду. –ешение было найдено с помощью криогеники в сочетании с отказом от полупроводников.

† „етверть века назад, а точнее, в 1962 году, английский ученый ƒжозефсон (в то врем€ он был еще студентом) теоретически предсказал эффект, названный позднее его именем. Ќа основе эффекта ƒжозефсона было сконструировано электронное устройство, так называемый Ђджозефсоновский переходї. ќно представл€ет собой два сверхпровод€щих электрода, разделенных тончайшим (от 10 до 50 ј) слоем диэлектрика. ƒиэлектрик даже при сверхнизких температурах электрический ток не пропускает. ¬ данном же случае благодар€ сверхпровод€щему состо€нию электродов и в зависимости от приложенных к переходу электрических и магнитных полей электрический ток через изол€тор проходит. ѕричем при температуре 4,2  такой прибор выдел€ет в 10000 раз меньше тепла, чем обычный транзистор. »ными словами, Ё¬ћ той же мощности, что и упом€нута€ выше, но построенна€ не на полупроводниках, а на сверхпровод€щих элементах, выдел€ла бы всего 0,1 ¬т в секунду! ј каждый Ђджозефсоновский переходї может работать и как детектор, и как усилитель, и как €чейка пам€ти, и как логический элемент. Ќаиболее стабильны в работе Ђджозефсоновские переходыї с электродами из ниоби€.

† ”стройства сверхпровод€щей электроники уже используютс€ на практике. “ак, на их основе созданы сверхчувствительные измерители магнитных потоков и полей, успешно примен€емые в медицине (магнитокардиографи€ и магнитоэнцефалографи€).

† Ѕольшое внимание наука удел€ет сейчас разработки способов получени€ сверхчистых металлов, анализа их чистоты и изучени€ их свойств. ј надо сказать, что свойства эти поистине удивительные. Ќапример, титан, висмут, вольфрам, хром, молибден, тантал, цирконий долго считались хрупкими. ¬ чистом же виде они оказались пластичными и прочными. » чем выше чистота полученных образцов, тем больше веро€тность обнаружени€ "маскируемых" примес€ми подлинных свойств металлов.

†† ¬ лаборатори€х »нститута проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов получены монокристаллы многих сверхчистых металлов Ч меди и серебра, никел€ и кобальта, висмута и свинца, инди€, сурьмы, самари€. »х проба чистоты чрезвычайно высока Ч до 99,999999 процента! “ака€ почти идеальна€ чистота удовлетвор€ет требовани€м микроэлектроники, где металлы наход€т все более широкое применение.

† ∆есткие требовани€ микроэлектроники к чистоте используемых металлических материалов св€заны с тем, что сверхчистый металл ведет себ€ почти как сверхпроводник, помехи электронам проводимости создают Ђчужиеї атомы. ј это значит, что при отсутствии таких помех, т.е. при работе со сверхчистыми металлами, не возникает (или, точнее, значительно слабее про€вл€етс€) проблема отвода тепла.  роме того, что очень важно дл€ электронно-вычислительной техники, непрерывно циркулирующий поток информации в виде зар€да, волны и пр. в схеме, выполненной из сверхчистых металлов, не встретит преп€тствий, а это предохранит устройство от сбоев и ошибок.

† ѕолучение сверхчистых металлов Ч тема особа€, и мы не будем ее касатьс€. —кажем только, что сохранить вещество в чистом виде не менее сложно, чем получить. » здесь на помощь оп€ть-таки приходит криогенна€ техника: один из эффективных способов сохранени€ чистоты металлических материалов Ч содержание их в услови€х сверхнизких температур (в жидком азоте, а еще лучше Ч в жидком гелии).

† ¬ —оветском —оюзе разработан метод определени€ чистоты сверхчистых металлов (при содержании примесей менее 10-4 процентов), основанный на использовании электромагнитных волн особого, типа Ч геликонов. Ёти волны затухают в р€де металлов пропорционально концентрации примесей. Ћюбопытно, что геликоны есть не что иное, как затухание электромагнитных волн, испускаемых плазмой зар€женных частиц, что наблюдаетс€ лишь в вакууме. »ными словами, сверхчистые металлы про€вл€ют свойства вакуума. “акое же сходство свойств с вакуумом сверхчистые металлы про€вили при исследовании Ђпробегаї в них свободных электронов. ¬ сверхчистых образцах инди€, например, охлажденных до температур ниже температуры кипени€ гели€, электроны проходили 8Ч10мм Ч как в вакууме! Ѕолее того, была доказана возможность с помощью магнитного пол€ фокусировать и управл€ть траектори€ми электронов проводимости внутри образца сверхчистого металла. ¬ажно отметить, что в сверхчистых металлах плотность потока электронов проводимости составл€ет 1022 электронов в 1 см3, т. е. почти как в вакууме и в сотни тыс€ч раз больше, чем в полупроводниках.

† ќтсюда был сделан естественный вывод: использование сверхчистых металлов в конструкци€х Ё¬ћ резко повысило бы эффективность вычислительных и управл€ющих систем. ѕо мнению директора »нститута проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов, члена-корреспондента јЌ ———– „. ¬.  опецкого, развитие науки и техники в этом направлении может привести к по€влению новой отрасли Ч металлической электроники, или металлотроники. ќсновным элементом электронных систем, по его мнению, могут стать Ђтриадыї из двух сверхчистых металлических монокристаллов, соединенных (или разделенных) микромостиком (Ђдлинойї до 100 мкм), изготовленным также из металлического монокристалла особой чистоты. „ерез такой микромостик при близких к абсолютному нулю температурах можно пропускать электроток огромной плотности Ч 109Ч 1010 ј/см2 . » мостик при этом даже не нагреваетс€. Ёто поистине парадоксальное свойство сверхчистых металлов, ведь самый тугоплавкий металл обычной технической чистоты испар€етс€ при плотности тока 105 на квадратный сантиметр.

ќдним словом, металлотроника в содружестве с криогенной техникой €вл€ютс€ продвижением научно-технического прогресса.

ѕерспективы применени€ структур на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криогенной микроэлектронике

ѕроблема создани€ структур на основе контактов —Чѕ, приборов и многофункциональных устройств на этих структурах €вл€етс€ комплексной. Ќужно пройти большой путь от разработки воспроизводимой технологии получени€ простейших контактов и приборов, например полупроводникового (как это ни странно звучит) криотрона с джозефсоновским вентилем, сверхчувствительных детекторов дальнего »  диапазона до криоэлектронных приемных устройств и вычислительных систем, в которых необходимо будет найти разумное сочетание различных рассматриваемых структур. Ќо в целом этот путь полезный и даЄт много нового микроэлектронике. Ёто можно показать в виде условной схемы на рисунке є 1, в которой представлены не только структуры и приборы, о которых выше упоминалось, но и возможные перспективные приборы.[9] ѕрименение рассмотренных структур на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криоэлектронике открывает новые возможности дл€ создани€ различных (функциональных приборов: усилителей, детекторов, преобразователей, ѕ«— с внутренним усилением, приемников »  диапазона, линий задержки, регистров сдвига. —очетание на одном полупроводниковом кристалле нескольких структур, выполненных в одном технологическом цикле, например структур, имеющих параметрические и детекторные элементы, в принципе позвол€ет подн€ть чувствительность криоэлектронных приемников пр€мого усилени€ до уровн€ супергетеродинных. —очетание сверхпровод€щих структур с полупроводниковым барьером, в которых при про€влении эффекта ƒжозефсона частоты принимаемого сигнала могут охватить практически весь »  диапазон, с регистром сдвига на структурах с зар€довой св€зью и малошум€щими усилительными элементами позвол€ет создать многоэлементные приемники с самосканированием, работающие в дальнем и сверхдальнем »  диапазонах. ¬озможно создание на этой основе и многодиапазонных ѕ«— »  диапазона. ѕри построении сложных интегральных схем на —¬„ микрополосковые линии и резонаторы усилителей могут быть выполнены непосредственно на той части поверхности полупроводникового кристалла, в которой при температурах “<“с наступает Ђвымораживаниеї носителей зар€да и потери станов€тс€ примерно такими же, как и в хороших диэлектриках. Ќа эту часть кристалла может быть нанесено и несколько дополнительных св€занных пленочных сверхпровод€щих резонаторов, образующих сверхпроводниковые —¬„ фильтры, либо преселекторы Ч усилители со сверхпроводниковыми резонаторами, предложенные и рассмотренные дл€ мазера с пассивными сверхпроводниковыми резонаторами, либо —п болометры. —пособность работать при любых услови€х охлаждени€, вплоть до температур, близких к абсолютному нулю, где отсутствуют тепловые колебани€, а шумы кристаллической решетки станов€тс€ исключительно малыми, причем ассортимент сверхпроводниковых и полупроводниковых материалов существенно расширен, €вл€етс€ одним из ценных свойств рассматриваемых структур, которые базируютс€ на передовой технологии Ѕ»—. “енденци€ к освоению в микроэлектронике свойств твердого тела при криогенных температурах, про€вивша€с€ благодар€ успехам в создании различных криоэлектронных приемных систем на базе сверхпроводников, узкозонных полупроводников и других материалов, неуклонно пробивает себе дорогу. ќдновременно, как видно из данной работы, по€вилась и друга€ тенденци€, созревша€ но мере развити€ электронного материаловедени€ и функциональной микроэлектроники. Ёто - переход к созданию в едином технологическом цикле уже не только материалов, например полупроводниковых кристаллов, и не только эпитаксиальных пленок из одного материала, но сначала Ђпростыхї полупроводниковых гетероструктур, ћƒѕ-структур, вплоть до рассматриваемых сложных структур —Чѕ, —ЧѕЧ— и др. Ёти структуры можно назвать функциональными.

† ѕрикладное значение контактов сверхпроводников и полупроводников дл€ микроэлектроники† с годами, особенно по мере развити€ технологии получени€ сверхтонких однородных полупроводников, сверхпроводников, слоев и субмикронных зазоров, возрастало нар€ду с возрастанием значени€ полупроводниковых охлаждаемых† гетероструктур.

† Ќовые криоэлектронные структуры на базе контактов сверхпроводников с полупроводниками и полуметаллами так же, как и новые структуры на базе контактов сверхпроводников с нелинейными сегнетоэлектриками в параэлектрической фазе (при “>“с) и нелинейными криопараэлектриками, в которых заложены многие новые функциональные возможности, зан€ли свое место среди новых материалов и структур микроэлектроники. ѕри этом могли по€витьс€ приборы как бы с тройной интеграцией: интеграцией элементов, интеграцией материалов и €влений и интеграцией функций в одной твердотельной схеме с корпусом-криостатом.

† ѕолезно обратить внимание на принципиальное различие между энергетической щелью (запрещенной зоной) в полупроводнике и щелью в сверхпроводнике. ¬ полупроводнике минимумы энергии ≈(р) определ€ютс€ кристаллической решеткой и наличие щели приводит при “==0   (при отсутствии контакта со сверхпроводником), к нулевой проводимости. ¬ сверхпроводнике минимумы ≈(р) определ€ютс€ взаимодействием электронов внутри электронной системы и наличие щели приводит к бесконечной проводимости.

«аключение

Ќовые проблемы и пути их решени€

†  риоэлектронику часто относ€т к микроэлектронике, счита€ ее высшей ступенью создани€ интегральных пленочных схем дл€ Ё¬ћ. Ёто определение весьма неполное и охватывает только одно из направлений криоэлектроникиЧинтегральную криотронику на тонкопленочных сверхпроводниковых элементах со слабой св€зью. ¬ целом же интегральна€ криоэлектроника, базиру€сь на достижени€х технологии современной микроэлектроники, включает более широкий круг проблем, без решени€ которых невозможно создать приборы, работающие при криогенных температурах и пригодные дл€ серийного производства и посто€нной эксплуатации. ƒело в том, что криоэлектроника в отличие от полупроводниковой микроэлектроники опираетс€ на новые физические €влени€, такие как: сверхпроводимость, эффекты ƒжозефсона, €влени€ в узкозонных полупроводниках, полуметаллах, параэлектриках и др., про€вл€ющиес€ только при охлаждении и не реализованные ранее. ѕри этом криоэлектронный микроприбор или интегральна€ криоэлектронна€ схема может представл€ть собой симбиоз охлаждаемой электронной схемы и охладител€ (газового, электронного либо радиационного). –азвитие интегральной криоэлектроники, как и развитие всей микроэлектроники, знаменует собой новый этап в электронной технике. ¬недрение криоэлектронных приборов в народное хоз€йство, в технику св€зи и телевидение, вычислительную, радиолокационную технику и приборостроение не только позвол€ет в больших системах уменьшить габариты, массу и стоимость аппаратуры при увеличении ее надежности, но и приведет к коренному улучшению электрических параметров этой аппаратуры.  ак видно из приведенных материалов, уровень охлаждени€ в основном определ€ет параметры и область применени€ криоэлектронных приборов. ѕриборы азотного уровн€ охлаждени€, самые дешевые и легкие, могут все шире примен€тьс€ в массовой мобильной аппаратуре, а приборы гелиевого уровн€ охлаждени€, энергопотребление которых в 25Ч70 раз больше, наход€т применение в стационарных, т€желых объектах или там, где уже есть жидкий гелий. ѕри этом электрические параметры приборов гелиевого уровн€, в которых могут использоватьс€ сверхпроводники, будут значительно лучше параметров приборов других уровней охлаждени€, где сверхпроводники применить не удаетс€. √раницы применени€ криоэлектронных изделий трудно установить, но совершенно очевидно, что расширение и углубление научных, конструкторских и технологических работ в области криоэлектроники вообще и, в частности, техники криостатировани€ позвол€ет решить р€д важных проблем.

† ѕерва€ проблема Ч освоение дальнего и сверхдальнего »  диапазонов дл€ приема естественных и лазерных »  излучений. Ёто позвол€ет расширить спектральные границы систем дл€ изучени€ природных ресурсов «емли и планет и поставить новые твердотельные охлаждаемые лазеры, эффективно работающие в »  диапазонах на службу человеку.

† ¬тора€ проблемаЧсоздание криоэлектронных индикаторов слабого теплового излучени€ на базе интегральных приборов с зар€довой св€зью дл€ тепловидени€ в промышленности, геологии и в медицине. ≈сть основание полагать, что криоэлектронные индикаторы дадут возможность осуществить раннюю диагностику р€да раковых заболеваний.

† “реть€ проблемаЧсоздание массовых малогабаритных сверхчувствительных приемников, воспринимающих с высокой избирательностью по частоте и помехозащищенностью такие слабые радиосигналы, которые обычные приемники даже не в состо€нии обнаружить. Ёти приборы наход€т самое широкое применение в системах оповещени€, управлени€, св€зи, телевидени€, телеметрии, пассивной локации и навигации, космической техники, радиоастрономии, приборостроени€ и системах наведени€. ѕри этом, например, дальность обнаружени€ пассивной локации, св€зи, телеметрии возрастает в 2Ч3 раза, защита от помех в 10Ч100 раз. ѕрием сверхдальнего телевидени€ через спутник в любой точке страны в новых высокоинформативных участках —¬„ диапазона возможен непосредственно домашними телевизорами с помощью небольшой коллективной антенны. –азработка твердотельных перестраиваемых и модулируемых лазеров дальнего »  диапазона и создание нового тина твердотельных —¬„ генераторов, имеющих при высоком к. п. д. стабильность частоты, присущую квантовым генераторам, в дес€тки и сотни раз большую выходную мощность во всем —¬„ диапазоне, €вл€етс€ четвертой проблемой.

†  риоэлектроника позволила создать большие и сверхбольшие интегральные схемы нового типа на основе сверхпровод€щих пленочных структур дл€ разработки нового класса электронных вычислительных машин со сверхбольшой пам€тью, меньших по габаритам и в 10Ч 100 раз более производительных, чем ранее существующие. ¬ результате успешного решени€ технологических проблем в 1980Ч1985 гг. были изготовлены «” с емкостью 256  бит на кристалле, временем записи и считывани€ 620 и 340 нс соответственно и потребл€емой мощностью 7 мк¬т.

† —огласно прогнозам давних лет сверхпроводникова€ Ё¬ћ могла бы быть изготовлена к 1990 г., причем пам€ть большой емкости - к 1983Ч1985 гг., а ÷ентральный криоэлектронный процессор - к 1985Ч1987 гг. ќднако из-за необходимости охлаждени€ сверхпроводниковые вычислительные устройства имеют ограниченные специальными цел€ми применени€. «начительный прогресс в разработке и выпуске, холодильных устройств (криостатов и рефрижераторов с замкнутым циклом на температуру 4,2  ) существенно удешевл€ет затраты, св€занные с охлаждением. ƒействительно, «” емкостью 108 бит состоит из 5*103 пластин размером 1 см2 содержащих кажда€ 2*104 бит. ћощность, потребл€ема€ одной платой 10-4 ¬т, полным «”Ч0,5 ¬т.

† ¬ эти же годы, по прогнозу, должны были быть созданы комбинированные (с газовым каскадом) и электронные твердотельные микроохладители на различные уровни криогенных температур, вакуумные и твердотельные приборы со сверхпровод€щими соленоидами дл€ освоени€ новых —¬„ диапазонов (миллиметровых и субмиллиметровых волн), измерительные приборы с разрешающей способностью и чувствительностью в 100Ч1000 раз лучше существующих.

† ’арактерной чертой электроники €вл€лось разнообразие материалов, примен€емых в электронной технике. Ќар€ду с диэлектриками и широкозонными полупроводниками все большую роль в электронике играли узкозонные полупроводники, материалы с температурой  юри, лежащей в области криогенных температур, и сверхпровод€щие материалы. ≈сли ранее широкому внедрению сверхпроводников в электронику преп€тствовало то, что сверхпроводимость в них наступала при очень глубоком охлаждении, близком к абсолютному нулю, то теперь положение коренным образом изменилось. —интезированы новые материалы, которые уже при “~20   станов€тс€ сверхпроводниками, созданы узкозонные полупроводниковые твердые растворы, полуметаллы, тонкие пленки, гетеро- и варизонные структуры на их основе, параэлектрические пленки на SrTiO3 с высокой нелинейностью, примесные пленки. ƒл€ выполнени€ столь обширной программы в области криоэлектроники необходима консолидаци€ научных сил, занимающихс€ низкотемпературным материаловедением, низкотемпературной электроникой твердого тела и криогенным приборостроением, а также проведение фундаментальных работ по основным направлени€м криоэлектроники, без которых нельз€ ликвидировать создавшийс€ разрыв между большими открыти€ми в физике низких температур, прежде всего по сверхпроводимости и свойствам узкозонных полупроводников, полуметаллов и параэлектриков при криогенных температурах, и возможностью их широкого практического использовани€. ¬месте с тем очевидно, что развитие криоэлектроники обогащало научно-техническую оснащенность страны, способствовало более быстрому развитию физики, химии, радиотехники, св€зи, автоматики, приборостроени€. — каждым годом увеличивалось вли€ние криоэлектроники на другие области электронной техники. Ёто обусловлено тем, что непрерывное улучшение параметров электронных приборов постепенно приближает их к теоретически возможному пределу при обычных температурах. √лубокое охлаждение позвол€ет намного перешагнуть эти пределы и примен€ть охлажденные приборы в едином модуле с криоэлектронными, что приводит к комплексной микроминиатюризации сложной радиоэлектронной аппаратуры.

† ѕриборы криоэлектроники, как и приборы вакуумной, полупроводниковой, квантовой электроники и микроэлектроники, должны непрерывно дополн€ть и расшир€ть возможности электроники. Ёто открыло огромные перспективы. Ќа рубеже 1985Ч1995 гг. планировалось осуществить разработку и выпуск многоспектральных криоэлектронных приемных устройств, перекрывающих средний, дальний и сверхдальний »  диапазоны дл€ комплексов изучени€ природных ресурсов «емли и планет. ј также следующее:

Ч      промышленный выпуск приемных и приемопередающих »  и —¬„ криоэлектронных модулей с твердотельными и электронными охладител€ми, которые наход€т широкое применение во многих наземных, космических и орбитальных системах св€зи, в радиолокации, телеметрии, управлении, автоматике, приборостроении, ракетной технике;

Ч      широкое внедрение криоэлектронных приборов, обеспечивающих непосредственный прием через космос многих программ телевидени€ в любой точке «емли домашними телевизорами, а также прием сверхдальнего телевидени€ в салонах самолетов дальних рейсов, поездах и пароходах дальнего следовани€, в автомобил€х. ¬озможен прием в любой точке «емли цветного телевидени€, передаваемого как земными телецентрами, так и телецентрами других объектов;

Ч†† ¬озможно также создание крупных орбитальных криогенных вычислительных центров единой системы навигации и прогноза погоды; сооружение криогенных вычислительных центров на Ћуне и других планетах, а также комплексов, работающих в открытом космическом пространств с охлаждением за счет радиации и твердых газов;

Ч † приближение к. п. д. многих электронных приборов —¬„ к 100%; освоение новых участков спектра в дальнем »  диапазоне;

Ч†† разработка массивов криотронных микропереключателей с внутренней логикой дл€ создани€ автоматической телескопной св€зи, охватывающей в единой системе народное хоз€йство и население страны. ќдной из причин, вынуждающих уже сегодн€ все шире примен€ть криоэлектронные приборы, €вл€етс€ резкое усложнение условий, в которых должны работать электронные приборы. — каждым годом область рабочих температур непрерывно расшир€етс€, и если когда-то температура Ч80∞— была пределом дл€ интегральной схемы, то теперь рабочие температуры понижаютс€ до Ч200∞— и даже Ч270∞—, т. е. почти до абсолютного нул€.  осмическое пространство с его услови€ми вакуума, холода, радиации, а также ракетные криогенные жидкости (жидкий кислород, водород) гелий и отвердевшие замороженные газы - вот примеры сред, в которых должны функционировать современные приборы электроники.

† –азвитие в мире нового вида энергетики, основанного на промышленном использовании криогенного водородного топлива (газа, жидкой и твердой фазы) вместо минерального топлива и электроэнергии, стремительное освоение космоса делают все более обычным внедрение криоэлектронных изделий в народное хоз€йство.

† ¬ заключение необходимо отметить, что развитие криоэлектроники, конечно, не приводит к замене существующих методов создани€ электронных приборов, а лишь расшир€ет возможности электронной техники, особенно там, где не требуетс€ сверхминиатюрность, а высокие электрические параметры интегральных устройств €вл€ютс€ определ€ющим фактором.

¬ывод

† ѕрименение криогенных температур в электронике в промышленных масштабах началось в 50-х гг. ’’ в. в ———–, —Ўј и др. странах, когда были получены важные дл€ радиоэлектроники практические результаты исследований низкотемпературных €влений в твердом теле и достигнуты успехи в области криогенной техники по разработке малогабаритных, экономичных и надежных систем охлаждени€. —ущественную роль в развитие криоэлектроники сыграли потребности радиоастрономии и космической св€зи в радиотелескопах и земных станци€х, обладающих высокочувствительными приемными трактами, с помощью которых можно было бы компенсировать затухани€ радиоволн при распространении на прот€женных трассах. ѕрименение криогенного оборудовани€ позволило снизить собственные тепловые шумы входных цепей радиоэлектронных устройств, предназначенных дл€ работы при малом отношении сигнал-шум. ¬ ———– результатом комплексных исследований свойств охлажденного твердого тела стало создание в 1967 системы земных станций космической св€зи "ќрбита" дл€ приема программ центрального телевиден舆 через спутник св€зи "ћолни€" в диапазоне частот около 1 √√ц. ¬ составе приемной аппаратуре земных станций примен€лс€ многокаскадный широкополосный малошум€щий параметрический усилитель, первые каскады которого охлаждались жидким азотом. ¬ажным этапом в развитие криоэлектроники €вились разработка в ———– первого в мире приемника субмиллиметрового диапазона длин волн с гелиевым охлаждением и его успешные испытани€ в 1978 на борту научно-исследовательского комплекса "—алют-6" - "—оюз-27". ”становленный в 1979 на радиотелескопе јЌ ———– (–ј“јЌ-600) криоэлектронный радиометр вывел этот радиотелескоп в разр€д одного из самых чувствительных в мире и позволил на пор€док увеличить объем информации о радиоизлучении √алактики. ¬ 1984-86 в процессе реализации многоцелевого международного проекта "¬енера - комета √алле€" криоэлектронный параметрический усилитель в составе радиоприемной аппаратуры обеспечил прием с рассто€ни€ более 100 млн. км радиолокационного изображени€ планеты ¬енера и крупномасштабных телевизионных изображений кометы √алле€ с космических аппаратов "¬енера-15","¬енера-16","¬ега-1","¬ега-2".

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††

ѕриложение

“аблица є 1

Ќекоторые свойства веществ при криогенных температурах.

√азы

(Ђкриогенныеї)

ƒиэлектрики, параэлектрики, сегнетоэлектрики

ѕолупроводники, полуметаллы, безщелевые и узкозонные полупроводники

Ќормальные металлы

—верхпроводники

ќжижение азота

‘азовые переходы

»зменение подвижности и концентрации носителей

”величение проводимости при “<D

»счезновение активного сопротивлени€

ќтвердевание азота

јномальный рост† e и изменени€ tg d у ионных кристалов вблизи температуры  юри Ц ¬ейсса

”дарна€ ионизаци€ при kT< Ei††

Ёффекты шнурован舆 тока

ћагнитно-диодный эффект

јномальный скин-эффект на —¬„

—понтанное возникновение ферромагнетизма у металлов с низкими температурами  юри

»деальный диамагнетизм, макроскопические эффекты

 вантование магнитного потока

¬ихрева€ структура у сверхпроводников 2 рода и пленок

ќтвердевание кис-лорода, парамагнетизм кислорода

ќжижение и отвердевание неона

¬озникновение спонтанного электрического дипольного момента

¬ымораживание примесей

ќбразование примесных зон и €влени€ перескока

Ќаведенна€ сверхпроводимость

–езонансные €влени€

»зменение теплоемкости и теплопроводности

¬заимодействие внешнего пол€ с энергентической щелью

–еактивность поверхностного импеданса

 ритические параметры

—качки теплоемкости и теплопроводности

ќжижение и отвердевание водорода

ќжижение гели€

Ёффект Ђотрицательного сопротивлени€ объемаї

ќбразование экситонов

ѕо€вление проводимости в примесной зоне

—верхтекучесть гели€

–ост подвижности

јномалии теплопроводности и теплоемкости

јномали€ теплоемкости и теплопроводности

ƒисперсионные €влени€ в »  диапазоне

–езонансные €влени€

ћагнитоплазменные волны, геликоны

 вантовые осцилл€ции поверхностного импданса

ѕоверхносна€ сверхпроводимость

јномалии распространени€ звука в гелии

¬ли€ние нулевых колебаний

ќтклонение от закона  юри-¬ейсса

“уннелевое прохождение

Ёлектронный парамагнитный, €дерный магнитный и циклотронный резонансы

Ќеравновесна€ сверхпроводимость

√енераци€ и детектирование фонов больших энергий

Ёлектронный термомагнитный эффект

»зменени€ границ поглощени€ »  области

ѕоглощение »  волн Ђмелкимиї примесными уровн€ми

јномалии эффектов, св€занных с переносом зар€дов (гальваномагнитный, термоэлектрический, гальванотермомагнитный)

√еликоны

”меньшение потерь

–елаксационные механизмы при воздействии —¬„ облучений

”величение электронов фононами

Ќаведенна€ сверхпроводимость

явлени€ "пиннинга"

"“уннельный эффект"

ќбразование "гор€чих носителей" и плазменных €влений

—тационарный и нестационарный эффекты ƒжозефсона

Ёлектрокалорические €влени€

јномалии теплопроволности

—верхпроводимость при наличии давлени€

—верхпроводимость в вырожденных материалах

“уннельные эффекты в пленочных структурах с диэлектрической прослойкой

»нверсии подвижности и типа проводимости

—верхпроводимость при наличии большого давлени€

ќхлаждение ультразвуком

Ќелинейные €влени€ в слабосв€занных сверхпроводниках

†††††††††††††††

(–ис. 1) “ипы возможных структур и интегральных устройств на основе контактов сверхпроводниковых материалов с полупроводниками:

ѕриемники сверхдальнего »  диапазона

»нтегральные гене-раторные схемы с перестройкой

ѕриемники радиовидени€

«апоминающие устройства

”силители- преселекторы


†††††††††††††††† ”† — †“† –† ќ† …† —† “† ¬† ј ††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

—-ѕ криотрон-ные Ѕ»— с ƒжо-зефсоновскими переходами

ѕриемники и генераторы фононов

—-ѕ интегральные —¬„ фильтры

√ибридные ѕ«— дальнего » 

ƒетекторы и и преобразователи —¬„

—-ѕ лазеры

†† ††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† ћ† а† т† е† р† и† а† л† ы

††††††††††††††† —верхпроводники (—)††††††††††††††††† ѕолупроводники (ѕ)

Ќа сверхпровод€щих ѕ-—

”зкозонные ѕ-—

ѕолуметаллические ѕ-—

Ўирокозонные

ѕ-—

ѕ-—-ѕ

—-ѕ-—

— полупроводниковой мембраной


†††††††††††††††††††† —† “† –† ”†  † “† ”† –† џ †††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

Ќа основе —п (ј-15)

“уннельные

ѕланар-ные

—лоистые высокотемпературные

ƒвухмерные сверхрешетки

“рехмерные сверх-

решетки


(–ис.2)
 риоэлектронные приборы и устройства используютс€ в различных област€х электроники, метрологии и стандартизации, дл€ создани€ вычислительной техники, в интересах обороны, освоени€ космического пространства и радиоастрономии, а также других отраслей промышленности, морского флота, сельского хоз€йства, геологии.

 осмическа€ св€зь, локаци€ и наведение кораблей, поиск и обнаружение теплоизлучающих объектов, дистанционное измерение температур, спектральный анализ атмосферы планет, тепловидение в медицине, промышленности и геологии - все эти задачи может успешно решать криоэлетронна€ техника.

******** «десь было два рисунка(американский спутник и криогенна€ лаборатори€)**********


(–ис. 3) ћеталлические гелиевые криостаты

 риостат ( от криоЕ и греч. Statos Ц сто€щий, неподвижный), термостат, рабочий объем которого поддерживаетс€ при криогенных температурах за счет постороннего источника холода. ќбычно в качестве источника холода (хладагента) примен€ют сжиженные или отвержденные газы с низкими температурами конденсации ( азот, водород, гелий и др.). ѕо уровню поддерживаемой температуры и роду используемого хладагента различают криостат гелиевого, водородного и азотного уровней охлаждени€. “емпературу помещенного в криостат объекта регулируют изменением давлени€ паров хладагента либо с помощью системы терморегулировани€, установленной между источником холода и объектом.

†††††††††††

(–ис. 4) —верхпровод€щий криоэлектронный резонатор

††††††††††††††††††††††† † -резонатор с высоким значением добротности (до 1011)


—писок литературы

1.     јлфеев ¬.Ќ. "–адиотехника низких температур", ћ., 1966г.

2.     јлфеев ¬.Ќ. "ѕолупроводники, сверхпроводники и параэлектрики в криоэлектронике", ћ., 1979г.

3.     "Ѕольша€ советска€ энциклопеди€", ћ., 1985г.

4.     ¬ендак ќ.√., √арин ё.Ќ. " риогенна€ электроника, ћ., 1977г.

5.     √убанков ¬.Ќ. "»тоги науки и техники, сери€ радиоэлектроника, т.38", ћ., 1987г.

6.     ƒжалли ”.ѕ. " риоэлектроника", ћ., 1975г.

7.     "  риогеника", ћ., 1986г.

8.     »нтернет: сервер NASA (www.nasa.gov)

9.     " Ёлектроника: Ёнциклопедический словарь", ћ., 1991г.



[1] Proceeding of the IEEEE, є10, 1964

[2] †¬.Ќ. јлфеев, –адиотехника низких температур, ћ., изд-во "—оветское радио", 1964

[3] “очнее: 4,216   (гелий); 20,39   (водород); 77,3   (азот), 90,2 (кислород).Чѕрим. перев

[4] Ёффект ƒжозефсона - протекание сверхпровод€щего тока через тонкий слой изол€тора, раздел€ющий два сверхпроводника ( так называемый контакт ƒжозефсона). ≈сли ток не привышает критического значени€ то падение напр€жени€ на контакте отсутствует, если привышает то возникает падение напр€жени€и контакт излучает Ёћ волны.

[5] ѕриложение (таблица є 1 )

[6] —м. приложени€: рис. 3

[7] —м. приложени€: рис. 2

[8] —м. приложени€: рис. 4

[9] ѕриложение (–исунок 1)

ћинистерство общего и профессионального образовани€ –оссийской ‘едерации јнгарский √осударственный “ехнологический »нститут ‘акультет технической кибернетики  афедра промышленной электроники и вычислительной техники –еферат††

 

 

 

¬нимание! ѕредставленный –еферат находитс€ в открытом доступе в сети »нтернет, и уже неоднократно сдавалс€, возможно, даже в твоем учебном заведении.
—оветуем не рисковать. ”знай, сколько стоит абсолютно уникальный –еферат по твоей теме:

Ќовости образовани€ и науки

«аказать уникальную работу

—вои сданные студенческие работы

присылайте нам на e-mail

Client@Stud-Baza.ru