Криоэлектроника

Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники

Кафедра ЭВМ

Реферат

по предмету

Конструирование и Технология Производства ЭВМ

Тема: «Криоэлектроника»

Выполнил: студент ФЗО, гр.900501,

Радионов А.В.

Преподаватель: доцент кафедры ЭВМ,

Луговский В.В.

Минск - 2002

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………… 3

2. ПРИМЕНЕНИЕ………………………………………………. 4

3. ПОДРОБНОСТИ……………………………………………… 5

4. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ………………………………….. 6

5. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ…………………………. 7

ВВЕДЕНИЕ

КРИОЭЛЕКТРОНИКА (Криогенная электроника) – это область науки и

техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах

при криогенных температурах (в присутствии электрических, магнитных и

электромагнитных полей), для создания электронных приборов и устройств.

Алфеев Владимир Николаевич,

лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор,

действительный член Международной Академии технологических наук и Академии

технологических наук РФ.

Автор открытия нелинейных явлений при контакте сверхпроводников с

полупроводниками, основоположник интегральной криоэлектроники на базе

наноструктур и технологий космических криогенных систем приема сверхдальних

излучений, руководитель научно-технологического направления создания

многоспектральных приемников спутникового телевидения и цифровой связи и

систем наблюдения из космоса.

ПРИМЕНЕНИЕ

Технологии криоэлектроники включают приборы и устройства, в которых

используются явления и процессы, протекающие при низких температурах

(условно Т<100к).

Большинство современных криоэлектронных приборов основано на явлении

сверхпроводимости, в частности, на эффекте Джозефсона, а также на явлении

одноэлектронного туннелирования между сверхпроводниками.

Cверхпроводимость – физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ

(сверхпроводников) при охлаждении их ниже определенной критической

температуры и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления

постоянному току и выталкивании магнитного поля из объема образца.

Сверхпроводимость открыта Х.Камерлинг-Оннесом в 1911году.

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.

Туннелирование – прохождение через потенциальный барьер микрочастицы,

энергия которой меньше высоты барьера.

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.

ПОДРОБНОСТИ

Явление сверхпроводимости впервые наблюдал Камерлинг-Оннес в Лейдене в

1911 г., спустя три года после того, как им впервые был получен жидкий

гелий.

Электрическое сопротивление в сверхпроводящем состоянии точно равно

нулю или, по крайней мере, так близко к нулю, что не наблюдалось ослабления

тока в сверхпроводящем кольце в течение более чем года вплоть до

прекращения эксперимента. Уменьшение сверхпроводящего тока в соленоиде

изучалось Файлом и Милсом, которые измеряли магнитное поле, создаваемое

сверхпроводящим током. Они установили, что время спада сверхпроводящего

тока составляет не менее 100000 лет. В некоторых сверхпроводящих

материалах, особенно в тех, которые используются для сверхпроводящих

магнитов, наблюдались конечные времена спада вследствие необратимых

перераспределений магнитного потока в сверхпроводнике.

Магнитные свойства сверхпроводников столь же нетривиальны, как и

электрические свойства. Нулевое электрическое сопротивление достаточно

хорошо характеризует сверхпроводящее состояние, но не может объяснить его

магнитных свойств. Экспериментально обнаружено, что сверхпроводник в слабом

магнитном поле будет вести себя как идеальный диамагнетик, в объеме

которого магнитная индукция равна нулю. Если поместить образец в магнитное

поле и охладить его ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние,

то магнитный поток, первоначально пронизывающий образец, окажется

вытолкнутым из него. Этот эффект называется эффектом Мейснера. Эти

уникальные магнитные свойства играют важнейшую роль в описании

сверхпроводящего состояния.

Известно, что сверхпроводящее состояние представляет собой

упорядоченное состояние электронов проводимости металла. Упорядочение

заключается в том, что свободные электроны, выше температуры перехода в

сверхпроводящее состояние, при охлаждении ниже этой температуры связываются

в пары. Природа процесса образования электронных пар была впервые объяснена

в 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером.

Многие металлические элементы периодической системы, а также сплавы,

интерметаллические соединения и полупроводники могут переходить в

сверхпроводящее состояние.

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

магнитомерах. Начиная с 1978 г. стандарт Вольта устанавливается с помощью

эффекта Джозефсона, позволяющего связать напряжение с частотой. Достигнуты

блестящие результаты в области измерения пикосекундных импульсов.

Развивается техника создания смесителей миллиметрового диапазона длин волн

для применения в радиоастрономии. В области вычислительной техники

разработаны сверхпроводниковые приборы и устройства для аналоговой и

цифровой обработки сигналов, значительно превосходящие по своим параметрам

образцы, созданные на основе других технологий и используемые в реальных

системах. Особенно заметный сдвиг в развитии криоэлектронной техники был

достигнут в связи с изобретением охлаждаемых твердотельных лазеров ИК-

диапазона и освоением космического пространства. В космической технике

успешно используются криогенные установки, обеспечивающие получение

температуры 4,2К для криоэлектронного приемника субмиллиметрового диапазона

волн (орбитальный научно-исследовательский комплекс "Салют-6" – "Союз-27").

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.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Большая советская энциклопедия.

2.