Криоэлектроника

Криоэлектроника

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.

Введение

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.

Немножко истории

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.

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;
- 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.

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 к. 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

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.

В заключение необходимо отметить, что развитие криоэлектроники, конечно, не приводит к замене существующих методов создания электронных приборов, а лишь расширяет возможности электронной техники, особенно там, где не требуется сверхминиатюрность, а высокие электрические параметры интегральных устройств являются определяющим фактором.