Криоэлектроника

     - пассивные СВЧ-устройства, в том  числе параметрические усилители,

     смесители, видеодетекторы и болометры, cверхпроводниковые цифровые и

     импульсные  устройства, в том числе ячейки логики и памяти ЭВМ,

     аналогоцифровые преобразователи, стробоскопические  преобразователи

     сигналов.

     Криоэлектронные приборы и устройства используются в различных областях электроники, метрологии и стандартизации, для  создания вычислительной техники, в  интересах обороны, освоения космического пространства и радиоастрономии, а  также других отраслей промышленности, морского флота, сельского хозяйства, геологии. 

     Криотроны.  Криоэлектронные  усилители.

     Развитие  КРИОЭЛЕКТРОНИКА началось с создания криотрона (1955) — миниатюрного переключательного элемента, действие которого основано на явлении сверхпроводимости. Криотроны — элементы логических, запоминающих и переключательных устройств. Они отличаются низким потреблением энергии (10-18дж), малыми габаритами (до 10-6мм2), быстродействием (время переключения ~ 10-11сек). Первые проволочные криотроны были вскоре заменены плёночными (1958—1960). В 1955—56 появились др. плёночные запоминающие элементы: персистор, персистотрон, ячейка Кроу, однако они не получили распространения. Основным криоэлектронным элементом в вычислительной технике остался плёночный криотрон. В 1967 был разработан плёночный туннельный криотрон (криосар), основан на Джозефсона эффекте.

       Проблема приёма слабых сигналов  СВЧ стимулировала появление  низкотемпературных твердотельных  усилителей, основанных на разных  физических явлениях и обладающих  ничтожно малыми шумами. К ним  следует отнести прежде всего  парамагнитный квантовый усилитель  и параметрический усилитель, работающий при температуре 90K. В последнем роль активного элемента (параметрического полупроводникового диода) играет либо р—n-переход в полупроводнике с высокой подвижностью носителей при Т < 90К, либо переход металл — полуметалл (InSb, рис. 1). Последний приобретает при Т < 90К свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей в 102—103 раз выше, чем у Ge и Si. Мощность, потребляемая таким усилителем, ~ 10-1— 10-2 вт.

Рис. 1. — эквивалентная схема низкотемпературного параметрического усилителя; б — вольтамперная характеристика перехода металл—полуметалл (U — напряжение, I — ток) и зависимость его ёмкости С от напряжения при Т < 80 К; пунктиром показана эта же характеристика при комнатной температуре (300 К): Uн и wн — напряжение и частота накачки; в — переход металл—полуметалл является активным элементом усилителя. 

     Сверхпроводниковый  усилитель также основан на принципе параметрического усиления, но в этом случае периодически изменяется не ёмкость  С колебательной системы, а её индуктивность L (рис. 2). Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая плёнка сверхпроводника при температуре несколько ниже Tkp. В сверхпроводящей плёнке возникает т. н. «сверхиндуктивность» Lк обусловленная кинетической энергией движущихся сверхпроводящих электронных пар. Индуктивность Lk при определённом выборе геометрии плёнки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать сверхпроводящие электронные пары, изменяя их число ns, и этим самым можно периодически изменять индуктивность Lk по закону: Lk = 1/ns.

Рис. 2. — схема сверхпроводящего усилителя; L — yправляемая индуктивность; Rп — сопротивление перехода Джезефсона;

   б — активный элемент усилителя. 

       Параэлектрические усилители основаны  на аномально высокой поляризации  некоторых диэлектриков (например, CrTiO3) при низких температурах. Диэлектрическая  проницаемость таких диэлектриков  (параэлектриков) от 10 до 15•103, при Т < 80К появляется сильная зависимость диэлектрических потерь от внешнего электрического поля (рис. 3). Активный элемент параэлектрического усилителя представляет собой электрический конденсатор, заполненный таким параэлектриком, помещенным в электромагнитное поле (накачка). Ёмкость такого конденсатора периодически изменяется с частотой накачки, что позволяет осуществить параметрическое усиление (рис. 3).

Рис. 3 — активный элемент параметрического усилителя; б — зависимость его ёмкости С от напряжения при Т = 4, 2 К, пунктир — эта же зависимость при комнатной температуре. 

       Существуют усилители, в которых  используются комбинации перечисленных  методов. Например, сочетание изменяющихся  индуктивности L сверхпроводника  и ёмкости С «запертого» перехода  металл — полуметалл позволяет создать усилитель, где одновременно от одного генератора модулируется С и L, что улучшает характеристики усилителей. 

     Интегральная  криоэлектроника

     Поток открытий и идей в физике низких температур, физике тонких пленок, хлынувший  после создания микроскопической теории сверхпроводимости и синтеза  низко температурных материалов, успехи технологии распахнули двери  и новый мир. Симбиоз 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.

     Родились  новейшие направления интегральной криоэлектроники со своими проблемами и перспективами, из которых наибольшее развитие получают:

     — интегральная криоэлектроника ИК диапазона (приборы с зарядовой связью, многоэлементные  ИК приемники, ИК лазеры и др.);

     интегральная  СВЧ криоэлектроника (интегральные схемы СВЧ усилителей, циркуляторов, фильтров, смесителей и др.);

     — интегральная криоэлектроника на основе слабосвязанных сверхпроводников для  вычислительной техники (интегральные схемы логики и памяти) .

     Значительное  увеличение удельного веса работ  по интегральной криоэлектронике отражает суть нового этапа в развитии криоэлектроники, обусловленного успехами технологии пленочных  и полупроводниковых схем микроэлектроники. Использование достижений технологии изготовления интегральных схем в криоэлектронике  открыло пути комплексной микроминиатюризации ряда электронной приемной аппаратуры при одновременном качественном улучшении ее основных параметров. Такому положению способствуют глубинные процессы, происходящие в электронике.

     — интеграция большого числа элементов  в одном криостатируемом корпусе;

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

     — интеграция явлений, функций и разнородных  материалов в одной структуре  на основе контактов сверхпроводник - полупроводник, параэлектрик - сверхпроводник;

     — применение криогенной технологии (крионасосов, криогенного охлаждения подложек, охлаждения химических веществ для проведения уникальных реакций методом туннелирования при низких температурах) для создания криоэлектронных элементов. Исчезновение активного сопротивления в сверхпроводниках при криогенных температурах в широком  спектре частот позволяет практически  полностью устранить тепловые потери, повысить Криоэлектроника п. д. элементов и создать резонаторы с добротностью до 108—1012 вместо 103—104 на частотах вплоть до 10—30 ГГц. На основе эффекта Джозефсона и явлений в контактах сверхпроводник— полупроводник могут быть разработаны высокочувствительные датчики, измеряющие напряжения 10-16 В, видеодетекторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн с чувствительностью 10-15 Вт/Гц1/2, тонко-пленочные интегральные схемы памяти и логики с быстродействием 10-11 с, работающие почти без выделения тепла, магнитометры с чувствительностью на 5 порядков выше, чем у наилучших известных приборов.

     — создание электронных приборов с  принципиально новыми свойствами на основе открытых физических низкотемпературных явлений путем использования  технологии интегральных полупроводниковых  схем;

     — изменение физических свойств структур за счет глубокого охлаждения для  получения принципиально нового прибора;

     — создание новых конструктивных и  технологических методов с целью  сочетания в одном электронном  функциональном модуле свойств криоэлектронного прибора и микроохладителя;

     — комплексная микроминиатюризация  охлаждаемых многофункциональных  узлов аппаратуры с одновременным  улучшением ее электрических параметров. 

     Тенденции развития

     За  рубежом (США, Япония) разработаны и  уже нашли практическое применение в электронике различные типы низкотемпературных сверхпроводящих устройств. Наиболее известными из них являются СКВИДы, используемые в магнитометрах.

     Приборы криоэлектроники, как и приборы  вакуумной, полупроводниковой, квантовой  электроники и микроэлектроники, должны непрерывно дополнять и расширять  возможности электроники.

     — промышленный выпуск приемных и приемопередающих ИК и СВЧ криоэлектронных модулей  с твердотельными и электронными охладителями, которые находят широкое  применение во многих наземных, космических  и орбитальных системах связи, в  радиолокации, телеметрии, управлении, автоматике, приборостроении, ракетной технике;

     — широкое внедрение криоэлектронных  приборов, обеспечивающих непосредственный прием через космос многих программ телевидения в любой точке  Земли домашними телевизорами, а  также прием сверхдальнего телевидения  в салонах самолетов дальних  рейсов, поездах и пароходах дальнего следования, в автомобилях. Возможен прием в любой точке Земли  цветного телевидения, передаваемого  как земными телецентрами, так  и телецентрами других объектов;

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

     — приближение к. п. д. многих электронных приборов СВЧ к 100%; освоение новых участков спектра в дальнем ИК диапазоне;

     — разработка массивов криотронных микропереключателей  с внутренней логикой для создания автоматической телескопной связи, охватывающей в единой системе народное хозяйство и население страны. Одной из причин, вынуждающих уже  сегодня все шире применять криоэлектронные приборы, является резкое усложнение условий, в которых должны работать электронные приборы. С каждым годом область рабочих температур непрерывно расширяется, и если когда-то температура —80°С была пределом для интегральной схемы, то теперь рабочие температуры понижаются до —200°С и даже —270°С, т. е. почти до абсолютного нуля. Космическое пространство с его условиями 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.

     Развитие  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 хозяйство.

     Однако  криоэлектроника развивается не так быстро как другие отрасли  микроэлектроники и функциональной электроники. Среди причин, тормозящих ее развитие – слабая изученность  электронных процессов в охлаждаемых  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.

     Практически отсутствуют методы снижения удельного  веса и затрат на охлаждение интегральных приборов до уровня затрат на обычное  термостатирование, увеличения срока  непрерывного действия охлажденных  устройств. 
 

     Вывод

       Применение криогенных температур  в электронике в промышленных  масштабах нача-лось в 50-х гг. ХХ в. в СССР, США и др. странах,  когда были получены важные  для радиоэлектроники практические  результаты исследований низкотемпературных  явлений в твердом теле и  достигнуты успехи в области  криогенной техники по разработке  малогабаритных, экономичных и надежных  систем охлаждения. Существенную  роль в развитие криоэлектроники  сыграли потребности радиоастрономии  и космической связи в радиотелескопах  и земных станциях, обладающих  высокочувствительными приемными  трактами, с помощью которых можно  было бы компенсировать затухания  радиоволн при распространении  на протяженных трассах. Применение  криогенного оборудования позволило  снизить собственные тепловые  шумы входных цепей радиоэлектронных  устройств, предназначенных для  работы при малом отношении  сигнал-шум.