История развития криоэлектроники

    Принципы, на которых основываются сверхпроводящие  и лазерные системы, известны более полувека, но только в последние десятилетия они получили широкое техническое развитие. Мазер использовался в современных системах радиосвязи, был достигнут значительный прогресс в области применения сверхпроводников в различных радиоэлектронных системах и устройствах: больших электронно-вычислительных машинах, крупных электродвигателях и генераторах, электромагнитах, трансформаторах и линиях передач электроэнергии. Открытия , вроде эффекта Джозефсона, также нашли своё применение в области очень низких температур, где беспорядочные тепловые возмущения настолько малы, что становится возможным наблюдать и использовать весьма тонкие, едва уловимые явления.

    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.

Часть 2. Основные направления  криоэлектроники

    Каждое  новое направление  в науке и технике  имеет свою историю  развития. Есть своя история и у  криоэлектроники, которая  с первых же шагов  открыла пути создания принципиально новых  приборов. Явления  физики твердого тела при низких температурах, дающих доступ к глубинным квантовым свойствам вещества в конденсированном состоянии, совместно с явлениями физики низких температур, выделившейся в самостоятельную науку, составили научную базу криоэлектроники. Хотя слово “криос” означает просто “холод”, криогенными принято считать лишь те температуры, при которых тепловые колебания решетки вещества сильно ослабляются и в веществах начинают проявляться дальний порядок и эффекты, замаскированные тепловым движением частиц при обычных температурах. Это и приводит, в конечном счете, к тем удивительным особенностям сверхпроводников, в которых квантовые эффекты проявляются в макроскопических масштабах, а также к целому ряду качественно новых явлений и эффектов в других материалах. Область криогенных температур, при которых четыре газа (азот, неон, водород и гелий) превращаются в криогенные жидкости, можно условно разделить на четыре температурные зоны: азотную (80 К), неоновую (27 К), водородную (20 К) и гелиевую (~ 4,2 К) Температуры много ниже точки кипения жидкого гелия выделялись в отдельную область “сверхнизких” температур, причем многие эффекты в твердом теле являются характерными только для этой, пока еще экзотической области.

    Если  попытаться свести в  одну таблицу некоторые  свойства диэлектриков, полупроводников, полуметаллов, бесщелевых и узкозонных полупроводников, нормальных металлов и сверхпроводников, которые наблюдаются при криогенных температурах, то эта условная таблица имеет следующий вид. В таблицу включены в основном свойства, на основе которых начато или ожидается создание принципиально новых криоэлектронных приборов. Весьма внушительным будет перечень новых открытий и эффектов при криогенных температурах, на основе которых еще не создан ни один прибор, но их реализация в электронике может дать много полезного и неожиданного.

    Конечно, порой трудно провести четкую границу между  низкотемпературными  и высокотемпературными явлениями в отдельных  материалах, поэтому  в таких случаях  в табл. №1 подразумеваются  те материалы, которые  без охлаждения практически  неприменимы (полуметаллы, узкозонные полупроводники и др.). Принцип построения табл. № 1 подсказывает принципы деления криоэлектроники на направления в соответствии с типом применяемого материала: например, сверхпроводниковая криоэлектронника на основе сверхпроводников, полупроводниковая криоэлектроника на основе охлажденных полупроводников и полуметаллов и т. д. Так это произошло со сверхпроводниковыми приборами, как бы обособившимися от приборов на базе других материалов в силу фундаментальности явления сверхпроводимости. Однако возможен и другой принцип, пробивающий себе дорогу: по выполняемым криоэлектронными приборами функциям, по диапазонам частот, по технологическим методам, положенным в основу изготовления прибора.

    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”.

    Проблема  использования квантовых  резонансных свойств  твердого тела при  низких температурах для приема сверхслабых  СВЧ сигналов привела  к созданию квантовых  парамагнитных усилителей (мазеров). Мазеры появились  вскоре после того, как Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили так называемый “трехуровневый метод” (метод “накачки”) создания избыточной населенности верхнего энергетического уровня, необходимый для получения эффекта “отрицательного поглощения”, а Н. Бломберген предложил использовать в качестве активного вещества для таких мазеров парамагнитные кристаллы, находящиеся при гелиевых температурах. Вскоре А. М. Прохоровым, Н. В. Карловым, А. А. Маненковым и др. были созданы резонаторные парамагнитные СВЧ усилители, с помощью которых была продемонстрирована перспективность комплексного использования двух криоэлектронных материалов: парамагнетиков и сверхпроводников. В. Б. Штейншлейгером, Г. С. Мисежниковым и др. были разработаны мазеры бегущей волны, в которых криоэлектронные элементы защиты входа усилителя были построены на полупроводниках. Работы по исследованию вырожденных и невырожденных р-n переходов при низких температурах, широко известные работы по физике низких температур в Институте физических проблем, Физическом институте АН СССР, Институте радиотехники и электроники, Физико-техническом институте АН СССР, работы украинских физиков проложили дорогу электронике к новым явлениям, возникающим при сильном ослаблении тепловых колебаний решетки.

    В 1963 г. в СССР вышел  в свет первый научно-технический сборник по охлаждаемым электронным приборам и сложным устройствам в корпусе-криостате. Вслед за ним в 1964 г. в США группой в составе Т. Шмидта и др. был также выпущен сборник, в названии которого впервые было напечатано “криогенная электроника”. Если до этого применялись различные термины: “радиотехника низких температур”, “криотроника”, “радиоэлектроника сверхнизких температур” и др., то теперь положение изменилось. Стало ясно, что назрела пора оформления нового перспективного направления электроники, основанного на сверхпроводимости и других явлениях в твердом теле при криогенных температурах, которому окончательно присвоили название “криоэлектроника” или “криогенная электроника”. В попытках заглянуть в будущее криоэлектроники, предпринятых за последние 15 лет в ряде обзорных и проблемных работ, можно выделить два крупных этапа. Первый этап относится к 1962—1966 гг., когда в СССР и США появились оптимистические прогнозы вскоре после разработки дискретных криоэлектронных приборов: криотронных пленочных схем, детекторов ИК диапазона и СВЧ усилителей на охлажденных полупроводниковых структурах с р-n переходом. Этому этапу предшествовало создание микроскопической теории сверхпроводимости, установление, ее связи с феноменологической теорией Гинзбурга—Ландау (ГЛ), открытие квантовых макроскопических явлений, включая открытие эффекта Джозефсона, синтез новых сверхпроводящих материалов и разработка квантовых парамагнитных СВЧ усилителей со сверхпроводящим соленоидом в гелиевом криостате.

    Второй  этап прогнозов (1969—1973 гг.) был стимулирован развитием технологии полупроводниковой  микроэлектроники, созданием  работоспособных  сверхпроводящих  туннельных, мостиковых переходов на эффекте  Джозефсона, структур на узкозонных соединениях (InSb,InAs) и твердых растворах (BiSb, CdHgTe, PbSnTe), а также нелинейных кристаллов-параэлектриков, которые не переходят в сегнетоэлектрическую фазу при низких температурах(SrTiO ₃ ), и сегнетоэлектриков с низкой температурой Кюри-Вейсса. Анализ работ по криоэлектронике за последние 10— 15 лет показывает, что основные идеи этих прогнозов подтвердились, хотя огромные успехи микроэлектроники, открывая новые технологические возможности, в ряде случаев поставили под сомнение целесообразность широкого применения некоторых криоэлектронных приборов, например пленочных криотронов. Криоэлектроника стала привлекать не только исследователей, работающих в области электроники, но и специалистов по физике твердого тела, которые ранее электронными приборами не увлекались, специалистов-“комплексников”, которые ранее стремились любой ценой избавиться от необходимости внедрения криогенных элементов в аппаратуру, специалистов в области космонавтики и астрономии. Это во многом объясняется успехами космической криогенной техники и тем, что с каждым пятилетием все глубже во все сферы жизни человека проникают средства ИК диапазона волн. Действительно, в наши дни трудно указать область науки и техники, в которой не применялись бы инфракрасные устройства. Специфические особенности ИК излучения как носителя информации ставят его в один ряд со светом и радиоизлучением. Поскольку тепловое излучение тел связано непосредственно с их термодинамическим состоянием, оно содержит полные сведения о температуре источника. Кроме того, спектральный состав излучения зависит от материала поверхности и вида излучаемых различными телами частиц, например газов. Поэтому он несет в себе информацию о веществе и состоянии поверхности источника излучения. Эти качества ИК излучения, позволяющие выявлять внутренние свойства объектов и наблюдать глубинные процессы, протекающие в них, способствуют привлечению его для решения таких задач, в которых получить указанную информацию с помощью других сигналов не удается. Особенно заметный сдвиг в развитии криоэлектронной ПК техники был сделан в связи с изобретением охлаждаемых твердотельных лазеров ИК диапазона и освоением космического пространства. Этот сдвиг был вызван еще и тем, что в космосе имеются идеальные условия для распространения ИК излучения и сравнительно однородный фон неба, отсутствует поглощающая и рассеивающая среда и имеются условия для использования естественного охлаждения приёмных элементов за счет тепловой радиации либо за счет применения отвердевших газов.

    Космическая связь, локация 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 криоэлектронная техника ИК диапазона. Другое направление, вызвавшее появление новых средств и криоэлектронных приборов - это дистанционные исследования природных ресурсов Земли и планет во всём спектре ИК волн: от ближнего ИК до субмиллиметрового диапазона.

    Инфракрасные  системы дистанционного зондирования развиваются столь стремительно, что почти все отрасли народного хозяйства, включая промышленность, морской флот, сельское хозяйство, геологию будут получать все больше ощутимой пользы от внедрения этих систем. Не менее быстро развиваются космические радиотелескопы, как автоматические, так и обслуживаемые космонавтами. Для того, чтобы эти телескопы, позволяющие изучать объекты в наименее доступных с поверхности Земли дальнем ИК диапазоне и участке субмиллиметровых волн, могли длительное время работать в космосе, их криоэлектронная приемная часть должна представлять единое целое с криогенной установкой замкнутого цикла. Совсем недавно бортовая криогенная установка даже азотного уровня охлаждения была мечтой, а теперь при полете орбитального научно-исследовательского комплекса “Салют-6”-“Союз-27” на борту станции уже успешно работала криогенная установка, обеспечивающая получение температуры 4,2 К для криоэлектронного приемника субмиллиметрового диапазона волн. Проведение космонавтами Ю. Романенко и Г. Гречко испытания впервые созданной учеными Физического института АН СССР и советскими специалистами по микрокриогенной технике малогабаритной криоэлектронной приемной системы гелиевого уровня, включение, юстировка и осуществление измерений на телескопе открыли новую страницу в криоэлектронике. Мощным дополнительным толчком послужили запуски не только на эллиптические, но и на стационарные орбиты спутников-ретрансляторов, позволившие создать во многих странах спутниковые системы связи и телевидения и начать продвижение рабочих частот спутниковых систем в область все более высоких частот, включая диапазон миллиметровых волн и в перспективе дальний ИК диапазон. Энергетический голод заставил человечество срочно искать новые источники энергии, и взоры обратились к криогенному газу—водороду, являющемуся прекрасным топливом,— назрела пора водородной энергетики. Криоэнергетика, криобиология, криохимия, криомедицина стремительно возникали, усиливая всеобщую тенденцию к использованию в технике свойств веществ при низких температурах.