Технические науки/ 6.Электротехника и радиоэлектроника

Гасанова А.С., Зайцев В.Д.

Ставропольский Государственный Аграрный Университет, Россия

Криоэлектроника – наука будущего

Криоэлектроника (криогенная электроника - от греческого «криос» – холод, мороз) – область электроники, связанная с исследованием при криогенных температурах (ниже 120 К) специфических эффектов взаимодействия электромагнитного поля с носителями зарядов в твёрдом теле и с созданием электронных приборов и устройств, работающих на основе этих эффектов.

Криоэлектроника – это одно из самых перспективных и быстроразвивающихся отраслей науки. Широкое исследование явлений, которые происходят в твердом теле при низких температурах, а также необходимость применения в различных областях радиоэлектроники, преимущественно в космической, способствовало ее интенсивному развитию.

Еще одним стимулом развития этой науки послужило также и то немаловажное обстоятельство, что 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. Возникающие в условиях глубокого охлаждения явления, которые присущи только такому состоянию вещества, позволяют создавать принципиально новые приборы. Непосредственно, таким образом, к примеру, был сконструирован мазер, который успешно применяется в спутниковых системах связи, радиоастрономии [1].

На данный момент криоэлектроника включает в себя:

1. Криоэлектронное материаловедение, которое охватывает создание материалов для криоэлектроники и исследование их электрофизических свойств;

2. Криоэлектронику СВЧ, разрабатывающую криоэлектронные СВЧ-приборы на основе объёмных активных и пассивных элементов;

3. Криоэлектронные интегральные схемы;

4. Сверхпроводниковую криоэлектронику, связанную с созданием криоэлектронных приборов и устройств, работающих на основе физических явлений в сверхпроводниках;

5. Интегральную криоэлектронику для вычислительной техники, использующую явления, происходящие в плёночных структурах при криогенных температурах, для создания интегральных схем, элементов памяти большой ёмкости, быстродействующих переключателей и других устройств для ЭВМ;

6. Инфракрасную криоэлектронику, решающую задачи создания криоэлектронных блоков и систем, работающих в ИК-диапазоне.

Действие криоэлектронных приборов основано на различных физических явлениях и эффектах, происходящих в сверхпроводниках, полупроводниках, проводниках и диэлектриках при криогенных температурах. Одним из важнейших для криоэлектроники эффектов является сверхпроводимость. Практическое применение сверхпроводимости в криоэлектронике базируется в основном на туннельных явлениях в тонкоплёночных сверхпроводниковых микро и наноструктурах, в частности на Джозефсона эффекте [2], с которым связано, например, создание анализаторов спектра миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, генераторных, смесительных и детекторных устройств, сверхвысокочувствительных магнитометров, высокодобротных резонаторов, элементов антенно-фидерных устройств.

К основным эффектам, лежащим в основе работы приборов криоэлектроники, также относятся:

1. Нелинейные объёмные или контактные электрические явления в охлаждённых полупроводниках;

2. Нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости некоторых охлаждённых диэлектриков от напряжённости электрического поля.

Какие же материалы применимы для криоэлектроники? Они подразделяются на широкозонные (Si, Ge, GaAs и др.) и узкозонные (InSb, PbS и др.). Первые получили широкое распространение в криоэлектронных параметрических усилителях, смесительных и детекторных устройствах. На основе узкозонных полупроводников созданы криогенные магнитодиоды, ИК-приёмники, лазеры, биполярные транзисторы, параметрические и смесительные СВЧ-диоды.

Ряд диэлектриков (например, параэлектрики - титанат стронция SrTiO₃, танталат калия КТаО₃, титанат кадмия CdTiO₃) при криогенных температурах характеризуются ярко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от приложенного напряжения, что обеспечивает возможность создания конденсаторов с электрически управляемой ёмкостью. На основе такого конденсатора создан параэлектрический параметрический усилитель [3].

Развитие электронных приборов в значительной степени определяется проблемой повышения их точности [4, 5] и чувствительности. Один из наиболее перспективных путей в решении этой проблемы - глубокое охлаждение (до 75 К и ниже), позволяющее существенно улучшить технические характеристики обычных электронных приборов (полупроводниковых диодов, транзисторов). Кроме того, при глубоком охлаждении в твёрдых телах возникают различные физические эффекты, которые могут быть использованы для создания принципиально новых приборов, как для регистрации слабых сигналов, так и для обработки и хранения информации.

Основой для построения малошумящих криоэлектронных усилителей и смесителей являются охлаждаемые параметрические и смесительные диоды, полевые транзисторы и др. За счёт охлаждения удаётся существенно снизить уровень собственных шумов этих приборов, повысить их предельную рабочую частоту, коэффициент усиления и улучшить другие характеристики. Так, в криоэлектронных полевых транзисторах при их охлаждении до 75 К уровень собственных шумов снижается в 2,5-4 раза, при охлаждении до 20 К - в 6- 9 раз по сравнению с уровнем шумов при 300 К. Из других транзистороподобных структур, применяемых в криоэлектронных усилителях и смесителях, особенно перспективны транзисторы с повышенной подвижностью носителей заряда в канале, получившие название НЕМТ-транзисторов (от начальных букв слов английского выражения High Elektron Mobility Transistor – транзистор с высокой подвижностью электронов) [6]. Такие транзисторы обеспечивают выигрыш по шумам (в 5-8 раз) и коэффициент усиления до 3-5 дБ при уровне охлаждения до 80 К. В криоэлектронных смесительных устройствах СВЧ-диапазона наиболее распространены диодные и транзисторные структуры на основе охлаждаемых контактов металл – с барьером Шоттки [7, 8]. С помощью контактов сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник (СИС-контактов) с туннелированием квазичастиц через слой изолятора в миллиметровом диапазоне длин волн достигнут квантовый предел чувствительности приёмных устройств; шумовая температура смесителей на основе СИС-контактов близка к рабочей температуре контакта (обычно около 2 К). В детекторных и спектральных устройствах милли- и субмиллиметрового диапазонов волн всё шире используются приборы на базе джозефсоновских и СИС-контактов. Известны также детекторы, работающие на основе объёмного эффекта разогрева электронного газа излучением в образцах InSb с проводимостью n-типа, охлаждаемых до гелиевых температур (≈4,2 К).

Криогенные фильтры СВЧ-диапазона обычно реализуются на основе последовательности объёмных сверхпроводниковых криоэлектронных резонаторов. Характерная особенность таких фильтров – высокие добротность и стабильность параметров, возможность получения узкой полосы пропускания. Линии задержки изготовляют из сверхпроводящих кабелей, а также из сверхпроводящих плёнок определённой формы (например, в виде меандра). Время задержки в таких линиях определяется длиной кабеля (плёнки); в реальных системах оно варьируется в пределах от 1 пс до 1 мкс.

Одними из наиболее перспективных криоэлектронных приборов нового поколения являются сверхпроводящие квантовые интерферометры. На их основе разработаны высокочувствительные измерительные приборы различного назначения: гальванометры, вольтметры, компараторы, магнитометры, термометры и др.

Приборы криоэлектроники находят всё более широкое применение в аппаратуре для радиоастрономических исследований с использованием криорадиометров, а также в измерительной аппаратуре, медицинской диагностической аппаратуре (радиотермометрия, магнитокардиография), системах космической связи, метеорологии, спектроскопии, биологии, системах безопасности и др.

Таким образом, поиск новых материалов, совершенствование методов создания элементов микронных и субмикронных размеров, развитие нанотехнологий и криогенной техники, а также создание многофункциональных устройств в гибридно-интегральном исполнении с резким уменьшением габаритных размеров и улучшением технико-экономических характеристик криогенных систем – все это, на сегодняшний день, является стимулом развития криоэлектроники.

Литература

1. Чуянов В.А. Энциклопедический словарь юного физика / В.А. Чуянов. — М.: Педагогика, 1984.— С. 155-156.

2. Яворский Б.М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов — М.: Оникс, 2007. — С. 1004.

3. Полупроводниковые параметрические усилители и преобразователи СВЧ / В.С.Эткин, А.С. Берлин, П.П. Бобров и др.; Под ред. В.С. Эткина. - М.: Радио и связь, 1983.-304 с.

4. Vostrukhin A.V., Vakhtina E.A. Equilibration of the Wheatstone Bridge by the Pulse-Width Modulation method // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. Vol. 9, No. 4. 2014. P. 568-573.

5. Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции / Вострухин А.В., Вахтина Е.А. патент на изобретение RUS 2563315 06.03.2014.

6. Терещук Р. М., Терещук И. М., Седов С. А. Полупроводниковые приёмно усилительные устройство. Справочник радиолюбителю. Издание второе, стереотипное. – Киев: Наукова думка, 1982.

7. Шоттки барьер // Физическая энциклопедия. Т. 5 / Гл. ред. А.М. Прохоров.— М.: Советская энциклопедия, 2000. С. 467.

8. Вахтина Е.А., Габриелян Ш.Ж., Вострухин А.В., Данилов К.П. Электротехника и электроника. Лабораторный практикум: учебное пособие для вузов.– М.: Илекса, 2011. С. 211-212.