Криоэлектроника

     Министерство  образования и науки Украины

     Донбасский  государственный технический университет

     Кафедра ЕС 
 
 

     РЕФЕРАТ

     на  тему:

     «Криоэлектроника» 

     Выполнил:  ст. гр. ЕС-08-02

                 Ломакин А. Н.

     Проверил: Паэранд Ю. Э. 
 
 
 
 
 

     Алчевск, 2008

     Содержание

1. Понятие криоэлектроники
2. История
3. Основные направления криоэлектроники
4. Криотроны.  Криоэлектронные усилители
5. Интегральная криоэлектроника
6. Тенденции развития
7. Вывод
8. Список используемых источников

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Понятие криоэлектроники

     Криогенная(от греческого "криос" - холод, мороз) электроника, или криоэлектроника - направление электроники, охватывающее исследование при криогенных температурах (ниже 120 К ) специфических эффектов взаимодействия электромагнитного  поля с носителями зарядов в твердом  теле и создание электронных приборов и устройств, работающих на основе этих эффектов.

     Другое  определение звучит так: Криоэлектроника, криогенная электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твёрдых телах при криогенных температурах (ниже 90К) и создание электронных приборов на их основе. В криоэлектронных приборах используются различные явления: сверхпроводимость металлов и сплавов, зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от электрического поля, появление у металлов при Т < 80К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности электронов проводимости и др.

     Сверхпроводимость, свойство многих проводников, состоящее  в том, что их электрическое сопротивление  скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры  Тк, характерной для данного материала. С. обнаружена у более чем 25 металлических  элементов, у большого числа сплавов  и интерметаллических соединений, а  также у некоторых полупроводников. Рекордно высоким значением Тк (около 23 К) обладает соединение Nb3Ge.

     Диэлектрики, вещества, плохо проводящие электрический  то Криоэлектроника Термин «Д.» (от греч. diá — через и англ. electric — электрический) введён М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов — электропроводность или поляризация — преобладает, принято деление веществ на изоляторы (Д.) и проводники (металлы, электролиты, плазма). Электропроводность Д. по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление r порядка 108—1017 ом·см, а у металлов r ~ 10-6 — 10-4 ом·см. Существует и промежуточный класс — полупроводники, свойства которых определяются процессами как электропроводности, так и поляризации.

       К криоэлектронным приборам следует  отнести: запоминающие и логические  криоэлектронные устройства вычислительной  техники; генераторы, усилители,  переключатели, резонаторы, детекторы,  преобразователи частоты, фильтры,  линии задержки, модуляторы и  др. приборы СВЧ; сверхпроводящие  магнитометры, гальванометры, болометры  и др. Одной из задач КРИОЭЛЕКТРОНИКА является создание электронных охладителей, а также миниатюрных приборов, сочетающих в одной конструкции электронную схему, криостат, служащий герметической оболочкой, и охлаждающее устройство. 

     Криоэлектроника - одна из основных и весьма перспективных  отраслей науки. Её интенсивному развитию способствовали, с одной стороны, широкие исследования явлений, происходящих в твёрдом теле при низких температурах, и практическое применение полученных результатов в различных отраслях радиоэлектроники (в первую очередь  в космической радиоэлектронике), а с другой - определенные достижения криогенной техники, позволившие на основании как новых, так и  ранее известных принципов разработать экономичные, малогабаритные и надежные системы охлаждения.

     

     Значительным  стимулом к развитию криоэлектроники  послужило также и то немаловажное обстоятельство, 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. Использование низких температур позволяет преодолеть это препятствие  и открывает новые пути в разработке радиоэлектронных систем.

     Во-первых, глубокое охлаждение способствует значительному  улучшению технических и экономических  параметров радиоэлектронных устройств - преимущества компактных сверхпроводящих  запоминающих устройств большой  емкости и быстродействия для  ЭВМ, сверхпроводящих магнитов и  другой аппаратуры неоспоримы. Во-вторых, возникающие в условиях глубокого  охлаждения явления, которые присущи  только такому состоянию вещества, позволяют создавать принципиально новые приборы. Именно так, например, был сконструирован мазер, успешно используемый в спутниковых системах связи, радиоастрономии и т.д.

     Криоэлектроника изучает особенности поведения  радиоэлектронных компонентов и  материалов при очень низких температурах ( 0-20 К ), в частности такие необычные  явления, как сверхпроводимость.

     Для работ в области криоэлектроники  характерен большой размах лабораторных исследований. Показательными являются работы по созданию сверхпроводящих  накопителей энергии большой  ёмкости. Предназначенные первоначально  для пузырьковых камер, сверхпроводящие  накопители энергии также успешно  применяются в качестве генераторов  накачки для мощных лазеров и  другой радиотехнической аппаратуры. Выходят из стен лабораторий сверхпроводящие  линии задержки различного назначения, криоэлектронные запоминающие устройства, охлаждаемые усилители и т. д.

     Поскольку криоэлектроника возникла на стыке  нескольких различных научных направлений, первые публикации в этой области  были связаны с традиционными  направлениями. Однако уже с начала 60-х годов начинают появляться специальные  издания, целиком посвященные криоэлектронике, и первые монографии.

     Наиболее  распространенные охлаждающие агенты (криогены) при нормальном атмо-сферном  давлении имеют следующие температуры  кипения: He – 4K; H-20К; N—77 К; О—90 К; CO2 – 195K (симблирует) .

       Четкого и однозначного определения  интервала криогенных (низких) температур  нет, но чаще всего его ограничивают  областью, простирающейся примерно  от 100 К до абсолютного пуля (0 К). Иногда особо выделяется интервал 20 – 0 K, называемый интервалом  гиперкриогенных (сверхнизких) температур. Большинство криогенных систем, используемых в радиоэлектронике, работает при нормальной температуре кипения жидкого гелия, то есть приблизительно при 4 К.

     История

     Вопрос  о минимально возможной температуре  впервые привлек внимание исследователей еще около ста лет назад. Ныне охлаждение до низких температур широко используется на практике в различного рода устройствах и системах, особенно в радиоэлектронной аппаратуре. Это  стало возможным благодаря успешному  решению проблемы сжижения газов.

     

     Хотя  многие газы сжижаются сравнительно легко, первоначально считалось, что  некоторые газообразные вещества при  любых условиях сохраняют свое состояние  неизменным. Однако во второй половине XIX в. ученые добились определенных успехов в исследовании проблемы перехода веществ из газообразного состояния в жидкое. В частности, было установлено. что каждый газ характеризуется некоторой критической температурой, выше которой его невозможно сжижать только путем повышения давления. В 1898 г. впервые был получен жидкий газ (водород), а в 1908 г. голландский физик Камерлинг-Оннес осуществил сжижение гелия, завершив тем самым первый этап работ по сжижению газов.

     В последующие десятилетия началось быстрое развитие методов использования  новых криогенных жидкостей-сжиженных  газов в фундаментальных научных исследованиях в промышленности. От лабораторных экспериментов, которые, кстати, привели к открытию явления сверхпроводимости, перешли к производству сжиженных газов в промышленных масштабах. Их стали выпускать тоннами из смесей газов, например воздуха (разделяя его на состовляющие,—кислород, азот и инертные газы).

     Чисто научный интерес и потребности  промышленности стимулировали исследования физических свойств материалов при  глубоком охлаждении. Такого рода исследования оказались особенно важными для  радиоэлектроники, где в 40—50-х годах  появилось много новых материалов, в частности полупроводников. Десятилетием позже интерес специалистов по радиоэлектронике к использованию криогенных жидкостей  еще более возрос. С их помощью  удалось улучшить параметры (в частности, повысить чувствительность) обычных  радиотехнических схем и создать  принципиально новые радиоэлектронные устройства, например мазер.

     Большое значение для развития криоэлектроники  имело открытие эффекта Джозефсона.

     Эффект  Джозефсона – протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой изолятора, разделяющий  два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона). Если ток не превышает критического значения, то падение напряжения на контакте отсутствует, если превышает – то возникает  падение напряжения и контакт  излучает ЭМ волны.

       В последние десятилетия все  шире развертывались работы по созданию новых электронных приборов и сложных систем, основанных на свойствах твердого тела при криогенных температурах. Этому способствуют не только успехи в физике низких температур и технике глубокого охлаждения, но и появление новых проблем, которые не решаются другими методами. Криоэлектроника охватывает широкий круг вопросов: от взаимодействия электромагнитных волн с твердым телом при сильном ослаблении тепловых колебаний решетки до методов охлаждения и конструирования криоэлектронных автономных приборов с корпусом-криостатом. 

     Основные  направления криоэлектроники

     

     Все криоэлектронные приборы в зависимости  от температуры охлаждения, применяемых  материалов и явлений в них  могут быть разделены на изделия (приборы) азотного, неонового, водородного  и гелиевого уровней охлаждения. Уровень охлаждения во многом определяет параметры и области применения криоэлектронных изделий.

     Еще в 40-х годах были предприняты попытки  создать высокочувствительные, «нешумящие»  приемники для индикации слабого  теплового излучения в ИК диапазоне.

     Так, появились угольный болометр, охлаждаемый  до температуры жидкого гелия, болометр на основе p-Ge, легированного гелием, работающий при 2,15 К, а затем сверхпроводящий приемный элемент на основе тонкой фольги из нитрида ниобия.

     Были  созданы первые переключатели со сверхпроводящим соленоидом.

     В 1954 г. произошло большое событие: Бакк предложил принципиально новый  электронный прибор и дал ему  имя «криотрон». Вслед за этим прибором на базе механизма возникновения  отрицательного сопротивления в  полупроводниковом кристалле, охлажденном  до такой степени, что примеси  в нем были «выморожены», был предложен  еще один новый прибор — «криосар».

     По  назначению криоэлектронные приборы  можно разделить на несколько

     групп:

     - приборы квантовой метрологии;

     - низкочастотные измерительные приборы  – сверхпроводниковые квантовые

     интерферометрические  датчики (СКВИДы) для измерения магнитных  полей;