Реферат: История развития криоэлектроники

Министерство общего ипрофессионального образования

Российской Федерации

Ангарский Государственный Технологический Институт

Факультет технической кибернетики

Кафедра промышленной электроники и вычислительнойтехники

 

Реферат   на  тему:

История развития

криоэлектроники


Выполнил:

Студенты гр. ПЭ-99-3

Ф.И.О.Шереметьев А.Н.

Козьмин Ю.Г.

студент гр. ПЭ-99-2

Кузьмин А.А.

Приняла:

Терлецкая Л.А.

     Ангарск 1999 г.

                                              


План:

                                                                                                              стр.

1.  Введение                                                                                             3

2. Часть 1

         Исторические аспектыкриоэлектроники                                               4

3.  Часть 2                                                                                               

     Основные направлениякриоэлектроники                                             7

4.  Часть 3     Микроэлектроника и холод                                                          13

        

Перспективы применения структур на основеконтак-

тов сверхпроводников с полупроводниками вкриоген-

ной микроэлектронике                                                                  15

          

5.  Заключение                                                                                           Новые проблемы и пути ихрешения                                                       17

 

6.   Вывод                                                                                                20    

7.   Приложение                                                                                      21

8.   Список литературы                                                                                    26

1. Введение

 

  Криогенная(от греческого «криос» — холод,мороз)  электроника, или криоэлектроника,

направление электроники, охватывающее исследование прикриогенных температурах (ниже 120 К ) специфических эффектов взаимодействияэлектромагнитного поля с носителями зарядов в твердом теле и созданиеэлектронных приборов и устройств, работающих на основе этих эффектов, — криоэлектронных приборов.

  Криоэлектроника — одна изосновных и весьма перспективных отраслей науки. Её интенсивному развитиюспособствовали, с одной стороны, широкие исследования явлений, происходящих втвёрдом теле при низких температурах, и практическое применение полученныхрезультатов в различных отраслях радиоэлектроники (в первую очередь в космическойрадиоэлектронике), а с другой  — определенные достижения криогенной техники,позволившие на основании как новых, так и ранее известных принципов разработатьэкономичные, малогабаритные и надежные системы охлаждения.

  Значительным стимулом к развитию криоэлектроникипослужило также и то немаловажное обстоятельство, что при создании современныхэлектронных устройств — высокочувствительной радиоприемной аппаратуры,быстродействующих электронных вычислительных машин и др. — конструкторы подошлибуквально к пределу возможностей радиоэлектроники, принципиально достижимому вобычном интервале температур. Использование низких температур позволяетпреодолеть это препятствие и открывает новые пути в разработке радиоэлектронныхсистем.

  Во-первых, глубокое охлаждение способствуетзначительному улучшению технических и экономических параметров радиоэлектронныхустройств — преимущества компактных сверхпроводящих запоминающих устройствбольшой емкости и быстродействия для ЭВМ, сверхпроводящих магнитов и другойаппаратуры неоспоримы. Во-вторых, возникающие в условиях глубокого охлажденияявления, которые присущи только такому состоянию вещества, позволяют создаватьпринципиально новые приборы. Именно так, например, был сконструирован мазер,успешно используемый в спутниковых системах связи, радиоастрономии и т.д.

  Криоэлектроника изучает особенности поведениярадиоэлектронных компонентов и материалов при очень низких температурах ( 0-20К ), в частности такие необычные явления, как сверхпроводимость.

  Для работ в области криоэлектроники характеренбольшой размах лабораторных исследований. Показательными являются работы посозданию сверхпроводящих накопителей энергии большой ёмкости. Предназначенныепервоначально для пузырьковых камер, сверхпроводящие накопители энергии такжеуспешно применяются в качестве генераторов накачки для мощных лазеров и другойрадиотехнической аппаратуры. Выходят из стен лабораторий сверхпроводящие линиизадержки различного назначения, криоэлектронные запоминающие устройства,охлаждаемые усилители и т. д.

  Поскольку криоэлектроника возникла на стыкенескольких различных научных направлений, первые публикации в этой области былисвязаны с традиционными направлениями. Однако уже с начала 60-х годов начинаютпоявляться специальные издания, целиком посвященные криоэлектронике[1],и первые монографии[2].

Часть 1Исторические аспектыкриоэлектроники

 

  Вопрос о минимально возможнойтемпературе впервые привлек внимание исследователей еще около ста лет назад.Ныне охлаждение до низких температур широко используется на практике в различного рода устройствах и системах, особеннов радиоэлектронной аппаратуре. Это стало возможным благодаря успешному решениюпроблемы сжижения газов.

  Хотя многие газы сжижаютсясравнительно легко, первоначально считалось, что некоторые газообразныевещества при любых условиях сохраняют свое состояние неизменным. Однако вовторой половине XIX в. ученые добились определенных успехов в исследованиипроблемы перехода веществ из газообразного состояния в жидкое. В частности,было установлено. что каждый газ характеризуется некоторой критическойтемпературой, выше которой его невозможно сжижать только путем повышениядавления. В 1898 г. впервые был получен жидкий газ (водород), а в 1908 г. голландскийфизик Камерлинг-Оннес осуществил сжижение гелия, завершив тем самым первый этапработ по сжижению газов.

  В последующие десятилетияначалось быстрое развитие методов использования новых криогенных жидкостей-сжиженных газов в фундаментальныхнаучных исследованиях в промышленности. От лабораторных экспериментов, которые,кстати, привели к открытию явления сверхпроводимости, перешли к производствусжиженных газов в промышленных масштабах. Их стали выпускать тоннами из смесей газов, например воздуха (разделяя егона состовляющие,—кислород, азот и инертные газы).

Чисто научный интерес ипотребности промышленности стимулировали исследования физических свойствматериалов при глубоком охлаждении. Такого рода исследования оказались особенноважными для радиоэлектроники, где в 40—50-х годах появилось много новыхматериалов, в частности полупроводников. Десятилетием позже интерес специалистовпо радиоэлектронике к использованию криогенных жидкостей еще более возрос. С ихпомощью удалось улучшить параметры (в частности, повысить чувствительность)обычных радиотехнических схем и создать принципиально новые радиоэлектронные устройства,например мазер.

  Наиболее распространенныеохлаждающие агенты (криогены) при нормальном атмосферном давлении имеют следующие температуры кипения: He – 4K; H-20К; N—77 К; О—90 К; CO2 – 195K (симблирует)[3].

  Четкого и однозначногоопределения интервала криогенных (низких) температур нет, но чаще всего егоограничивают областью, простирающейся примерно от 100 К до абсолютного пуля (0К). Иногда особо выделяется интервал 20 – 0 K, называемый интервалом гиперкриогенных (сверхнизких)температур. Большинство криогенных систем, используемых в радиоэлектронике,работает при нормальной температуре кипения жидкого гелия, то есть приблизительнопри 4 К.

  Одной из важненейших проблемсовременной электроники считается проблема уменьшения степени неупорядоченностиструктуры вещества. Для этой цели применяется глубокое охлаждение.

  Материалы, применяемые вэлектронике, обычно оценивают с точки зрения упорядоченности их химической(чистоты) и геометрической (кристаллической) структуры, а также упорядоченностидвижения частиц вещества (температуры). Любые факторы, вызывающие отклонения вдвижении носителей заряда между двумя точками, уменьшают эффективную силу тока.Всякого рода неупорядоченность структуры способствует таким отклонениям,увеличивая тем самым  электрическое  сопротивление  материала. В сложныхэлектронных системах требуется, чтобы электрический сигнал заданной формыпроходил через материал без искажения. Однако неупорядоченность структурыматериала приводит к уменьшению амплитуды сигнала и изменению его формы, таккак ее влияние носит случайный характер. Например, плавное синусоидальноеколебание становится искаженным, неровным, и в системе возникают нежелательныесигналы (помехи).

  Посмотрим, как различные типынеупорядоченности структуры проводника влияют на его удельное сопротивление.

  Нарушения химическойструктуры, обусловленного присутствием даже незначительного количества примеси,достаточно, чтобы заметно увеличить удельное сопротивление металлического проводника.Так, добавление к меди 0,1% фосфора приводит к уменьшению ее проводимости примернона 50%, тогда как введение 1% кадмия (для получения сплава большей механическойпрочности) уменьшает его проводимость лишь немногим более чем на 10%.

  В химически чистом материалегеометрический порядок его внутренней структуры может быть нарушен за счетостаточных напряжений (деформаций), возникших при механической обработке.Поэтому после холодной протяжки удельное сопротивление меди обычно возрастаетна несколько процентов. Подобные нарушения физической упорядоченности,обусловленные остаточными напряжениями, можно устранить или по крайней мере уменьшить путемотжига материала. Влияние различных типов геометрической упорядоченностиособенно заметно в несимметричных кристаллах, например в цинке, где различие вудельном сопротивлении для двух взаимно перпендикулярных направлений вкристаллической решетке достигает 4%.

  Взаимосвязь химической игеометрической упорядоченности мы можем наблюдать в экспериментах но получениюсплавов меди с золотом. При увеличении концентрации золота удельное сопротивлениеслучайной смеси возрастает. Но если случайную смесь. содержащую около 25%золота, отжигать в течение продолжительного времени, то обнаруживаетсятенденция к перегруппировке атомов в упорядоченную структуру сплава Cu3Au. Удельное сопротивление резкопадает, хотя и остается выше, чем у чистой меди

  Говоря о криоэлектронике,основное внимание следует уделить кинетической упорядоченности (упорядоченностидвижения) частиц, так как понижение температуры обычно позволяет свести этунеупорядоченность к минимуму. В проводнике кинетический беспорядок связан сослучайным движением свободных электронов, а в любом твердом теле он обусловлентепловыми колебаниями атомов в кристаллической решетке. При низких температурахоба типа неупорядоченности значительно уменьшаются.

  В некотором отношении тепловоеколебание атомов в твердом теле можно рассматривать как своеобразное нарушениегеометрического порядка, поскольку в результате таких колебаний нарушаетсярегулярный шаг кристаллической решетки. Как показал де Бройль, движению каждогоатома кристаллической решетки можно приписать определенные волновые свойства.Таким образом, в любом твердом теле существуют упругие волны, распространяющиесясо скоростью звука. Эти волны представляют собой как бы локализованные,сосредоточенные пакеты (кванты) тепловой энергии, подобно тому как фотоныявляются локализованными пакетами электромагнитной энергии. Кванты тепловой энергииназываются фононами; как и фотон, каждый фонон характеризуется энергией hf (где f—частота, соответствующая длине волны фонона) и количеством движения (импульсом).В определенных случаях фонон удобно рассматривать как частицу.

  Таким образом, можно считать,что твердое тело содержит хаотично, беспорядочно перемещающиеся фононыразличных энергий, которые соударяются с подвижными носителями заряда, создающимив материале электрический ток. При понижении температуры число таких фононов вматериале уменьшается и поэтому его удельное сопротивление падает. Фононыиграют в веществе определенную положительную роль: в процессе рекомбинацииэлектронно-дырочной пары они обеспечивают сохранение количества движения,благодаря чему становится возможным процесс рекомбинационной люминесценции.

  Полупроводники, используемые вэлектронике, обычно имеют очень высокую степень химической (а часто также игеометрической) упорядоченности. Низкая температура позволяет значительноуменьшить в них нежелательный собственный ток, но для ионизации атомов и, следовательно,образования свободных носителей, как правило, необходимо определенноеколичество тепловой энергии. Точно так же, чтобы свести к минимуму шумыэлектронной лампы (то есть обеспечить беспрепятственное движение электронов откатода к аноду), необходимо обеспечить надлежащую геометрию проводников в ееуправляющих сетках. Но в то же время общеизвестно, что для нормальной работылампы катод должен быть разогрет до высокой температуры, а потому ток эмиссиихарактеризуется высокой степенью кинетической неупорядоченности, которая иобусловливает шумы.

  Однако наиболее интересные ипотенциально важные особенности радиоэлектроники низких температур сводятся кисключительным, тонким ситуациям, которые возникают только тогда, когданеупорядоченность обычных типов сведена к минимуму.

  В сверхпроводниках междупарами электронов существует особый вид упорядоченности, благодаря этомусопротивление материала становится равным нулю и внутри него не возникает магнитногополя. Но если температура материала достаточно высока, фононы разрушают этиупорядоченные пары электронов и сверхпроводящее состояние исчезает. Аналогичнымобразом упорядоченное состояние нарушается и материал возвращается в нормальноесостояние и тогда, когда плотность тока или напряженность внешнего магнитногополя превысит критическое значение.

  В мазере особая формаупорядоченности проявляется в том, что на более высоком из двух энергетическихуровней находится значительно больше атомов, чем на более низком. Однако эта неустойчиваяформа равновесия быстро нарушается из-за тепловой неупорядоченности, после чеговновь восстанавливается нормальное равновесное состояние, при которомпреобладают атомы с низкими энергиями. Требуемое состояние неустойчивогоравновесия можно обеспечить лишь путем подачи в систему энергии извне, причём количество этой энергии тем меньше, чем ниже температура.

  Принципы, на которыхосновываются сверхпроводящие и лазерные системы, известны более полувека, нотолько в последние десятилетия они получили широкое техническое развитие. Мазериспользовался в современных системах радиосвязи, был достигнут значительныйпрогресс в области применения сверхпроводников в различных радиоэлектронныхсистемах и устройствах: больших электронно-вычислительных машинах, крупныхэлектродвигателях и генераторах, электромагнитах, трансформаторах и линиях передачэлектроэнергии. Открытия, вроде эффекта Джозефсона[4], также нашли своё применениев области очень низких температур, где беспорядочные тепловые возмущения настолькомалы, что становится возможным наблюдать и использовать весьма тонкие, едва уловимые явления.

  В последние десятилетия всешире развертывались работы по созданию новых электронных приборов и сложныхсистем, основанных на свойствах твердого тела при криогенных температурах.Этому способствуют не только успехи в физике низких температур и техникеглубокого охлаждения, но и появление новых проблем, которые не решаются другимиметодами. Криоэлектроника охватывает широкий круг вопросов: от взаимодействияэлектромагнитных волн с твердым телом при сильном ослаблении тепловых колебанийрешетки до методов охлаждения и конструирования криоэлектронных автономных приборовс корпусом-криостатом.

 

 

Часть 2

Основные направления криоэлектроники

  Каждое новое направление внауке и технике имеет свою историю развития. Есть своя история и укриоэлектроники, которая с первых же шагов открыла пути создания принципиальноновых приборов. Явления физики твердого тела при низких температурах, дающихдоступ к глубинным квантовым свойствам вещества в конденсированном состоянии,совместно с явлениями физики низких температур, выделившейся в самостоятельнуюнауку, составили научную базу криоэлектроники. Хотя слово «криос» означаетпросто «холод», криогенными принято считать лишь те температуры, при которыхтепловые колебания решетки вещества сильно ослабляются и в веществах начинаютпроявляться дальний порядок и эффекты, замаскированные тепловым движениемчастиц при обычных температурах. Это и приводит, в конечном счете, к темудивительным особенностям сверхпроводников, в которых квантовые эффектыпроявляются в макроскопических масштабах, а также к целому ряду качественноновых явлений и эффектов в других материалах. Область криогенных температур,при которых четыре газа (азот, неон, водород и гелий) превращаются в криогенныежидкости, 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 гелиявыделялись в отдельную область «сверхнизких» температур, причем многие эффектыв твердом теле являются характерными только для этой, пока еще экзотической области.

  Если попытаться свести в однутаблицу некоторые свойства диэлектриков, полупроводников, полуметаллов,бесщелевых и узкозонных полупроводников, нормальных металлов и сверхпроводников,которые наблюдаются при криогенных температурах, то эта условная таблица имеетследующий вид[5]. В таблицу включены в основном свойства, на основе которых начато илиожидается создание принципиально новых криоэлектронных приборов. Весьмавнушительным будет перечень новых открытий и эффектов при криогенныхтемпературах, на основе которых еще не создан ни один прибор, но их реализацияв электронике может дать много полезного и неожиданного.

  Конечно, порой трудно провестичеткую границу между низкотемпературными и высокотемпературными явлениями вотдельных материалах, поэтому в таких случаях в табл. №1 подразумеваются те материалы,которые без охлаждения практически неприменимы (полуметаллы, узкозонные полупроводникии др.). Принцип построения табл. № 1 подсказывает принципы деления криоэлектроники на направления всоответствии с типом применяемого материала: например, сверхпроводниковаякриоэлектронника на основе сверхпроводников, полупроводниковая криоэлектроникана основе охлажденных полупроводников и полуметаллов и т. д. Так это произошлосо сверхпроводниковыми приборами, как бы обособившимися от приборов на базедругих материалов в силу фундаментальности явления сверхпроводимости. Однаковозможен и другой принцип, пробивающий себе дорогу: по выполняемымкриоэлектронными приборами функциям, по диапазонам частот, по технологическимметодам, положенным в основу изготовления прибора.

  Все криоэлектронные приборы взависимости от температуры охлаждения, применяемых материалов и явлений в нихмогут быть разделены на изделия (приборы) азотного, неонового, водородного игелиевого уровней охлаждения. Уровень охлаждения во многом определяет параметрыи области применения криоэлектронных изделий.

  Еще в 40-х годах были предпринятыпопытки создать высокочувствительные, «нешумящие» приемники для индикациислабого теплового излучения в ИК диапазоне.

  Так, появились угольныйболометр, охлаждаемый до температуры жидкого гелия, болометр на основе p-Ge, легированного гелием, работающийпри 2,15 К, а затем сверхпроводящий приемный элемент на основе тонкой фольги изнитрида ниобия.

  Были созданыпервые переключатели  со сверхпроводящим соленоидом.

  В 1954 г. произошло большоесобытие: Бакк предложил принципиально новый электронный прибор и дал ему имя«криотрон». Вслед за этим прибором на базе механизма возникновения отрицательногосопротивления в полупроводниковом кристалле, охлажденном до такой степени, чтопримеси в нем были «выморожены», был предложен еще один новый прибор — «криосар».

  Проблема использования квантовых резонансных свойств твердого тела принизких температурах для приема сверхслабых СВЧ сигналов привела к созданиюквантовых парамагнитных    усилителей (мазеров). Мазеры появились вскоре послетого, как Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили так называемый«трехуровневый   метод» (метод «накачки») создания избыточной населенностиверхнего энергетического уровня, необходимый для получения эффекта  «отрицательного поглощения», а Н. Бломберген предложил использовать в качествеактивного вещества для таких мазеров парамагнитные кристаллы, находящиеся пригелиевых температурах. Вскоре А. М. Прохоровым, Н. В. Карловым, А. А.Маненковым и др. были созданы резонаторные парамагнитные СВЧ усилители,  с помощью которых была продемонстрирована   перспективностькомплексного использования двух криоэлектронных материалов: парамагнетиков исверхпроводников. В. Б. Штейншлейгером, Г. С. Мисежниковым и др. былиразработаны мазеры бегущей волны, в которых криоэлектронные элементы защиты входаусилителя были построены на полупроводниках. Работы по исследованию вырожденныхи невырожденных   р-n переходовпри низких температурах, широко известные работы по физике низких температур вИнституте физических проблем, Физическом институте АН СССР, Институтерадиотехники и электроники, Физико-техническом  институте АН СССР, работыукраинских физиков проложили дорогу электронике к новым явлениям, возникающим  при сильномослаблении тепловых колебаний решетки.

  В 1963 г. в СССР вышел в светпервый научно-технический сборник по охлаждаемым электронным приборам и сложнымустройствам в корпусе-криостате. Вслед за ним в 1964 г. в США группой в составеТ. Шмидта и др. был также выпущен сборник, в названии которого впервые былонапечатано «криогенная электроника». Если до этого применялись различныетермины: «радиотехника низких температур», «криотроника», «радиоэлектроникасверхнизких температур» и др., то теперь положение изменилось. Стало ясно, чтоназрела пора оформления нового перспективного направления электроники,основанного на сверхпроводимости и других явлениях в твердом теле прикриогенных температурах, которому окончательно присвоили название«криоэлектроника» или «криогенная электроника». В попытках заглянуть в будущеекриоэлектроники, предпринятых за последние 15 лет в ряде обзорных и проблемныхработ, можно выделить два крупных этапа. Первый этап относится к 1962—1966 гг.,когда в СССР и США появились оптимистические прогнозы вскоре после разработкидискретных криоэлектронных приборов: криотронных пленочных схем, детекторов ИКдиапазона и СВЧ усилителей на охлажденных полупроводниковых структурах с р-nпереходом. Этому этапу предшествовало создание микроскопической теориисверхпроводимости, установление, ее связи с феноменологической теорией Гинзбурга—Ландау(ГЛ), открытие квантовых макроскопических явлений, включая открытие эффектаДжозефсона, синтез новых сверхпроводящих материалов и разработка квантовыхпарамагнитных СВЧ усилителей со сверхпроводящим соленоидом в гелиевом криостате[6].

  Второй этап прогнозов(1969—1973 гг.) был стимулирован развитием технологии полупроводниковоймикроэлектроники, созданием работоспособных сверхпроводящих туннельных,мостиковых переходов на эффекте Джозефсона, структур на узкозонных соединениях (InSb,InAs) и твердых растворах (BiSb, CdHgTe,PbSnTe), а такженелинейных кристаллов-параэлектриков, которые не переходят всегнетоэлектрическую фазу при низких температурах(SrTiO3), и сегнетоэлектриков с низкойтемпературой Кюри-Вейсса. Анализ работ по криоэлектронике за последние 10— 15лет показывает, что основные идеи этих прогнозов подтвердились, хотя огромныеуспехи микроэлектроники, открывая новые технологические возможности, в рядеслучаев поставили под сомнение целесообразность широкого применения некоторыхкриоэлектронных приборов, например пленочных криотронов. Криоэлектроника сталапривлекать не только исследователей, работающих в области электроники, но и специалистов по физике твердоготела, которые ранее электронными приборами не увлекались, специалистов-«комплексников»,которые ранее стремились любой ценой избавиться от необходимости внедрениякриогенных элементов в аппаратуру, специалистов в области космонавтики иастрономии. Это во многом объясняется успехами космической криогенной техники итем, что с каждым пятилетием все глубже во все сферы жизни человека проникаютсредства ИК диапазона волн. Действительно, в наши дни трудно указать областьнауки и техники, в которой не применялись бы инфракрасные устройства.Специфические особенности ИК излучения как носителя информации ставят его водин ряд со светом и радиоизлучением. Поскольку тепловое излучение тел связанонепосредственно с их термодинамическим состоянием, оно содержит полные сведенияо температуре источника. Кроме того, спектральный состав излучения зависит отматериала поверхности и вида излучаемых различными телами частиц, напримергазов. Поэтому он несет в себе информацию о веществе и состоянии поверхностиисточника излучения. Эти качества ИК излучения, позволяющие выявлять внутренниесвойства объектов и наблюдать глубинные процессы, протекающие в них,способствуют привлечению его для решения таких задач, в которых получитьуказанную информацию с помощью других сигналов не удается. Особенно заметныйсдвиг в развитии криоэлектронной ПК техники был сделан в связи с изобретениемохлаждаемых твердотельных лазеров ИК диапазона и освоением космическогопространства. Этот сдвиг был вызван еще и тем, что в космосе имеются идеальные условия для распространения ИК излучения исравнительно однородный фон неба, отсутствует поглощающая и рассеивающая средаи имеются условия для использования естественного охлаждения приёмных элементовза счет тепловой радиации либо за счет применения отвердевших газов.

  Космическая связь, локация инаведение кораблей, поиск и обнаружение теплоизлучающих объектов, дистанционноеизмерение температур, спектральный анализ атмосферы планет, тепловидение вмедицине, промышленности и геологии — все это новые задачи, решать которыепризвана криоэлектронная техника ИК диапазона. Другое направление, вызвавшеепоявление новых средств и криоэлектронных приборов — это дистанционныеисследования природных ресурсов Земли и планет во всём спектре ИК волн: отближнего ИК до субмиллиметрового диапазона[7].

  Инфракрасные системыдистанционного зондирования развиваются столь стремительно, что почти всеотрасли народного хозяйства, включая промышленность, морской флот, сельскоехозяйство, геологию будут получать все больше ощутимой пользы от внедрения этихсистем. Не менее быстро развиваются космические радиотелескопы, как автоматические,так и обслуживаемые космонавтами. Для того, чтобы эти телескопы, позволяющиеизучать объекты в наименее доступных с поверхности Земли дальнем ИК диапазоне иучастке субмиллиметровых волн, могли длительное время работать в космосе, ихкриоэлектронная приемная часть должна представлять единое целое с криогеннойустановкой замкнутого цикла. Совсем недавно бортовая криогенная установка дажеазотного уровня охлаждения была мечтой, а теперь при полете орбитальногонаучно-исследовательского комплекса «Салют-6»-«Союз-27» на борту станции уже успешноработала криогенная установка, обеспечивающая получение температуры 4,2 К длякриоэлектронного приемника субмиллиметрового диапазона волн. Проведениекосмонавтами Ю. Романенко и Г. Гречко испытания впервые созданной ученымиФизического института АН СССР и советскими специалистами по микрокриогеннойтехнике малогабаритной криоэлектронной приемной системы гелиевого уровня,включение, юстировка и осуществление измерений на телескопе открыли новуюстраницу в криоэлектронике. Мощным дополнительным толчком послужили запуски нетолько на эллиптические, но и на стационарные орбиты спутников-ретрансляторов,позволившие создать во многих странах спутниковые системы связи и телевидения иначать продвижение рабочих частот спутниковых систем в область все болеевысоких частот, включая диапазон миллиметровых волн и в перспективе дальний ИКдиапазон. Энергетический голод заставил человечество срочно искать новыеисточники энергии, и взоры обратились к криогенному газу—водороду, являющемусяпрекрасным топливом,— назрела пора водородной энергетики. Криоэнергетика,криобиология, криохимия, криомедицина стремительно возникали, усиливая всеобщуютенденцию к использованию в технике свойств веществ при низких температурах.

  По мере того как врадиоэлектронике назревал коренной поворот, обусловленный развитием технологическойбазы микроэлектроники, это тяготение к низким температурам охватило и микроэлектронноеаппаратостроение. Одна за другой возникали новые проблемы, решение которых известнымиметодами интегральных схем при обычных температурах было в принципе невозможноили настолько затруднено, что их практическая реализация ставилась подсомнение. В то же время одно за другим следовали открытия новых явлений впленочных структурах при низких температурах, не реализованных в микроэлектронике.Однако криоэлектроника все-таки развивалась не так быстро, как другие ветвимикроэлектроники. Причин, тормозивших ее развитие, было немало, прежде всего:недостаточная изученность электронных процессов в охлажденных структурах ипленках на базе твердого тела, недостаточность реальныхконструкторско-технологических идей по созданию интегральных электронныхприборов на основе этих процессов и особенно надежных, воспроизводимыхмногоэлементных, многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами, атакже практических методов снижения удельного веса затрат на охлаждениеинтегральных приборов до уровня затрат на обычное термостатирование иувеличение срока непрерывного действия охлажденных устройств. Поэтомукриоэлектроника является комплексной областью знаний и включает несколькоосновных направлении: криоэлектронное материаловедение; СВЧ криоэлектронику наобъемных компонентах; сверхпроводниковую криоэлектронику; криоэлектронную ИКтехнику, интегральную криоэлектронику и технику криостатирования. Рассмотримосновные из данных направлений. Криоэлектронное материаловедение охватываетизучение электронных и магнитных явлений в охлажденных твердых телах, в томчисле и в отвердевших газах, разработку технологии и синтез новых материалов сзаданными свойствами в области криогенных температур с целью создания новыхдискретных криоэлектронных элементов, функциональных радиоэлектронных приборови микроохладителей.

  СВЧ криоэлектроника включаетсоздание нового класса микроприборов: охлаждаемых параметрических итранзисторных усилителей, смесителей, детекторов и сложных многофункциональныхприемных модулей на объемных сверхпроводящих, полупроводниковых и другихкомпонентах, представляющих сочетание фильтров, усилителей, циркуляторов,конструктивно объединенных в одной оболочке—криостате и связанных с криогенной установкой. СВЧкриоэлектроника на объемных компонентах является большим комплекснымнаправлением и охватывает весьма широкий круг задач: от технологии создания активныхи пассивных СВЧ элементов до разработки функциональных приборов и сложныхприемных модулей, являющихся по существу самостоятельными радиоприемными устройствами.

  Сверхпроводниковаякриоэлектроника, начавшаяся с создания криотрона, развивалась по путиразработки дискретных приборов, основанных на сверхпроводимости, с уникальнымихарактеристиками: сверхпроводящих СВЧ резонаторов[8] с добротностью до 109,СВЧ линий задержки и коаксиальных кабелей, практически не имеющих потерь,мощных микромагнитов. Выдающимся достижением стало создание на основе эффектаДжозефсона сверхпроводящих магнитометров, обладающих недостижимыми преждепараметрами, индикаторов сверхмалых напряжений и токов, а также детекторовсубмиллиметрового диапазона волн.

  Криоэлектронная ИК техникавначале тоже включала дискретные элементы: охлаждаемые тепловые ИК приемники(болометры), спектральный диапазон которых зависит от характеристик оптическихфильтров, и фотонные, селективные, ИК приемники, основанные на применениисобственных узкозонных и примесных полупроводников, фоторезистивных ифотовольтических свойств охлажденных структур в различных участках ИКдиапазона.

  Поток открытий и идей в физикенизких температур, физике тонких пленок, хлынувший после созданиямикроскопической теории сверхпроводимости и синтеза низко температурных материалов,успехи технологии распахнули двери и новый мир. Симбиоз новейшей технологии.микроэлектроники с физическими принципами и материалами криоэлектроники привелк переходу от дискретного уникального криоприбора к интегральномукриоэлектронному модулю, т. е. к интегральной криоэлектронике. Родилисьновейшие направления интегральной криоэлектроники со своими проблемами иперспективами, из которых наибольшее развитие получают:

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

—   интегральная СВЧ криоэлектроника (интегральныесхемы СВЧ усилителей, циркуляторов, фильтров, смесителей и др.);

—    интегральная криоэлектроника наоснове слабосвязанных сверхпроводников для вычислительной техники (интегральныесхемы логики и памяти).

Значительное увеличениеудельного веса работ по интегральной криоэлектронике отражает суть нового этапав развитии криоэлектроники, обусловленного успехами технологии пленочных и полупроводниковыхсхем микроэлектроники. Использование достижений технологии изготовленияинтегральных схем в криоэлектронике открыло пути комплексноймикроминиатюризации ряда электронной приемной аппаратуры при одновременномкачественном улучшении ее основных параметров. Такому положению способствуют глубинныепроцессы, происходящие в электронике.

—   интеграция большого числа элементов в одномкриостатируемом корпусе;

—    создание многокомпонентныхгетероструктур, в том числе на основе узкозонных материалов;

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

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

  Вымораживание примеси вполупроводнике при уменьшении тепловой энергии решетки ниже энергии ионизациипримеси, устранение собственной проводимости в узкозонных полупроводниках,токов термоэлектронной эмиссии в барьерах Шоттки за счет охлаждения открываютпути для приема излучений в недоступных кремниевым фотодиодам и ПЗС участкахспектра, вплоть до дальнего ИК диапазона. Кремниевые ПЗС с барьерами Шоттки приазотных температурах охватывают диапазон до 3,5 мкм, ПЗС на основе InSb и кремниевые ПЗС, легированные In, до 3—5 мкм, гибридные ПЗС сприменением HgCdTe, PbSnTe имеют в дальнем ИК диапазоне пороговую чувствительность, приведенную кединичной фотоприемной площадке 1 см2, при азотных температурахпорядка 10-10-10-11 Вт/Гц1/2, если отношение сигнал/шумравно 1. Глубокое охлаждение решетки твердого тела приводит к значительному уменьшениютепловых шумов, являющихся принципиальным органичением при повышениичувствительности электронных приборов, особенно в СВЧ и ИК диапазонах. Шумоваятемпература охлажденных полупроводниковых усилителей может достигать 5—20 К вшироком диапазоне частот, а шумовая температура смесителя на контакте полупроводник- сверхпроводник на частотах ~1010 Гцсоставляет при гелиевых температурах рекордно малую величину —         около 13К, гетеродинный приемник лазерного излучения имеет при 77 К чувствительностьоколо 10-20 Вт/Гц1/2 в ИК диапазоне.

  Интенсивное развитиеинтегральной криоэлектроники тесно связано с созданием криостатов с жидким итвердым хладоагентом и микрокриогенных систем с замкнутым циклом, не требующихпериодического пололнения жидким или газообразным хладоагентом. Созданиекриостатов с охладителями типа Макмагона—Джиффорда позволило надежно освоитьдиапазон на стыке водородных и гелиевых температур, появились микрокриогенныесистемы гелиевого уровня. Криостаты с дроссельными микроохладителями послеприменения в них газовых смесей становятся конкурентоспособными по сравнению сдругими системами. Начинается внедрение гибридных электронных охладителей наоснове эффектов Пельтье, Эттингсгаузена. Существенной особенностью этихохладителей является слабая зависимость относительного термодинамического к. п.д. от холодопроизводительности, в то время как соответствующий коэффициентгазовых машинных охладителей резко снижается при уменьшениихолодопроизводительности. Таким образом, можно будет снять ограничение сминимально достижимой холодопроизводительности, что, в свою очередь, уменьшаетразмеры всей охлаждающей системы. Именно в области криогенных систем малой холодопроизводительностиэлектронное криостатирование, в задачи которого входит создание криогенныхтвердотельных электронных микроохладителей на различные уровни температурвплоть до сверхнизких, будет, по-видимому, наиболее конкурентоспособным.Интегральная криоэлектроника позволит в дальнейшем объединить в одномтвердотельном модуле электронную охлаждаемую схему с электронным охладителем,что является способом создания полностью твердотельных криоэлектронных интегральныхсхем. В такой необычной схеме охладительная часть также может быть выполненаметодами интегральной технологии и иметь один и тот же источник питания. Приэтом предварительное охлаждение может осуществляться не электронными методами,что важно для разработки микроэлектронных систем с большой степенью интеграции,например антенных фазированных решеток. Развитие интегральной криоэлектроникикак новой отрасли микроэлектронной техники непрерывно ставит передисследователями новые задачи:

—   создание электронных приборов с принципиальноновыми свойствами на основе открытых физических низкотемпературных явленийпутем использования технологии интегральных полупроводниковых схем;

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

—   создание новых конструктивных итехнологических методов с целью сочетания в одном электронном функциональноммодуле свойств криоэлектронного прибора и микроохладителя;

—    комплексная микроминиатюризацияохлаждаемых многофункциональных узлов аппаратуры с одновременным улучшением ееэлектрических параметров.

   Часть 3Микроэлектроника и холод

 

  Микроминиатюризация в областиэлектронно-вычислительной техники — важнейшее направление научнотехническогопрогресса.

  На основе полупроводниковыхинтегральных схем можно было бы создать мощную ЭВМ размером всего со школьныйранец, если бы был предложен эффективный способ отвода тепла от такогоустройства. Но это оказалось непосильной для современной техники задачей:устройство должно выделять до киловатта энергии каждую секунду. Решение былонайдено с помощью криогеники в сочетании с отказом от полупроводников.

  Четверть века назад, а точнее,в 1962 году, английский ученый Джозефсон (в то время он был еще студентом)теоретически предсказал эффект, названный позднее его именем. На основе эффектаДжозефсона было сконструировано электронное устройство, так называемый «джозефсоновскийпереход». Оно представляет собой два сверхпроводящих электрода, разделенныхтончайшим (от 10 до 50 А) слоем диэлектрика. Диэлектрик даже при сверхнизкихтемпературах электрический ток не пропускает. В данном же случае благодарясверхпроводящему состоянию электродов и в зависимости от приложенных к переходуэлектрических и магнитных полей электрический ток через изолятор проходит. Причемпри температуре 4,2К такой прибор выделяет в 10000 раз меньше тепла, чемобычный транзистор. Иными словами, ЭВМ той же мощности, что и упомянутая выше,но построенная не на полупроводниках, а на сверхпроводящих элементах, выделяла бы всего 0,1 Втв секунду! А каждый «джозефсоновский переход» может работать и как детектор, икак усилитель, и как ячейка памяти, и как логический элемент. Наиболеестабильны в работе «джозефсоновские переходы» с электродами из ниобия.

  Устройства сверхпроводящейэлектроники уже используются на практике. Так, на их основе созданысверхчувствительные измерители магнитных потоков и полей, успешно применяемые вмедицине (магнитокардиография и магнитоэнцефалография).

  Большое внимание наука уделяетсейчас разработки способов получения сверхчистых металлов, анализа их чистоты иизучения их свойств. А надо сказать, что свойства эти поистине удивительные.Например, титан, висмут, вольфрам, хром, молибден, тантал, цирконий долгосчитались хрупкими. В чистом же виде они оказались пластичными и прочными. Ичем выше чистота полученных образцов, тем больше вероятность обнаружения«маскируемых» примесями подлинных свойств металлов.

   В лабораториях Институтапроблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов полученымонокристаллы многих сверхчистых металлов — меди и серебра, никеля и кобальта,висмута и свинца, индия, сурьмы, самария. Их проба чистоты чрезвычайно высока —до 99,999999 процента! Такая почти идеальная чистота удовлетворяет требованияммикроэлектроники, где металлы находят все более широкое применение.

  Жесткие требованиямикроэлектроники к чистоте используемых металлических материалов связаны с тем,что сверхчистый металл ведет себя почти как сверхпроводник, помехи электронампроводимости создают «чужие» атомы. А это значит, что при отсутствии такихпомех, т.е. при работе со сверхчистыми металлами, не возникает (или, точнее, значительнослабее проявляется) проблема отвода тепла. Кроме того, что очень важно дляэлектронно-вычислительной техники, непрерывно циркулирующий поток информации ввиде заряда, волны и пр. в схеме, выполненной из сверхчистых металлов, невстретит препятствий, а это предохранит устройство от сбоев и ошибок.

  Получение сверхчистых металлов— тема особая, и мы не будем ее касаться. Скажем только, что сохранить веществов чистом виде не менее сложно, чем получить. И здесь на помощь опять-такиприходит криогенная техника: один из эффективных способов сохранения чистотыметаллических материалов — содержание их в условиях сверхнизких температур (вжидком азоте, а еще лучше — в жидком гелии).

  В Советском Союзе разработанметод определения чистоты сверхчистых металлов (при содержании примесей менее10-4 процентов), основанный на использовании электромагнитных волнособого, типа — геликонов. Эти волны затухают в ряде металлов пропорциональноконцентрации примесей. Любопытно, что геликоны есть не что иное, как затуханиеэлектромагнитных волн, испускаемых плазмой заряженных частиц, что наблюдаетсялишь в вакууме. Иными словами, сверхчистые металлы проявляют свойства вакуума.Такое же сходство свойств с вакуумом сверхчистые металлы проявили приисследовании «пробега» в них свободных электронов. В сверхчистых образцахиндия, например, охлажденных до температур ниже температуры кипения гелия,электроны проходили 8—10мм — как в вакууме! Более того, была доказанавозможность с помощью магнитного поля фокусировать и управлять траекториямиэлектронов проводимости внутри образца сверхчистого металла. Важно отметить,что в сверхчистых металлах плотность потока электронов проводимости составляет1022 электронов в 1 см3, т. е. почти как в вакууме и всотни тысяч раз больше, чем в полупроводниках.

  Отсюда был сделан естественныйвывод: использование сверхчистых металлов в конструкциях ЭВМ резко повысило быэффективность вычислительных и управляющих систем. По мнению директораИнститута проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов,члена-корреспондента АН СССР Ч. В. Копецкого, развитие науки и техники в этомнаправлении может привести к появлению новой отрасли — металлической электроники,или металлотроники. Основным элементом электронных систем, по его мнению, могутстать «триады» из двух сверхчистых металлических монокристаллов, соединенных(или разделенных) микромостиком («длиной» до 100 мкм), изготовленным также из металлическогомонокристалла особой чистоты. Через такой микромостик при близких к абсолютномунулю температурах можно пропускать электроток огромной плотности — 109—1010А/см2. И мостик при этом даже ненагревается. Это поистине парадоксальное свойство сверхчистых металлов, ведьсамый тугоплавкий металл обычной технической чистоты испаряется при плотноститока 105 на квадратный сантиметр.

Одним словом, металлотроника всодружестве с криогенной техникой являются продвижением научно-техническогопрогресса.


Перспективы применения структурна основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криогенноймикроэлектронике

 

Проблема создания структур наоснове контактов С—П, приборов и многофункциональных устройств на этихструктурах является комплексной. Нужно пройти большой путь от разработкивоспроизводимой технологии получения простейших контактов и приборов, напримерполупроводникового (как это ни странно звучит) криотрона с джозефсоновскимвентилем, сверхчувствительных детекторов дальнего ИК диапазона докриоэлектронных приемных устройств и вычислительных систем, в которыхнеобходимо будет найти разумное сочетание различных рассматриваемых структур.Но в целом этот путь полезный и даёт много нового микроэлектронике. Это можнопоказать в виде условной схемы на рисунке № 1, в которой представлены не толькоструктуры и приборы, о которых выше упоминалось, но и возможные перспективныеприборы.[9] Применение рассмотренных структур на основеконтактов сверхпроводников с полупроводниками в криоэлектронике открывает новыевозможности для создания различных (функциональных приборов: усилителей, детекторов,преобразователей, ПЗС с внутренним усилением, приемников ИК диапазона, линийзадержки, регистров сдвига. Сочетание на одном полупроводниковом кристалленескольких структур, выполненных в одном технологическом цикле, напримерструктур, имеющих параметрические и детекторные элементы, в принципе позволяетподнять чувствительность криоэлектронных приемников прямого усиления до уровнясупергетеродинных. Сочетание сверхпроводящих структур с полупроводниковымбарьером, в которых при проявлении эффекта Джозефсона частоты принимаемогосигнала могут охватить практически весь ИК диапазон, с регистром сдвига наструктурах с зарядовой связью и малошумящими усилительными элементами позволяетсоздать многоэлементные приемники с самосканированием, работающие в дальнем исверхдальнем ИК диапазонах. Возможно создание на этой основе и многодиапазонныхПЗС ИК диапазона. При построении сложных интегральных схем на СВЧмикрополосковые линии и резонаторы усилителей могут быть выполненынепосредственно на той части поверхности полупроводникового кристалла, вкоторой при температурах Т<Тс наступает «вымораживание» носителейзаряда и потери становятся примернотакими же, как и в хороших диэлектриках. На эту часть кристалла может бытьнанесено и несколько дополнительных связанных пленочных сверхпроводящихрезонаторов, образующих сверхпроводниковые СВЧ фильтры, либо преселекторы —усилители со сверхпроводниковыми резонаторами, предложенные и рассмотренные длямазера с пассивными сверхпроводниковыми резонаторами, либо Сп болометры. Способностьработать при любых условиях охлаждения, вплоть до температур, близких кабсолютному нулю, где отсутствуют тепловые колебания, а шумы кристаллическойрешетки становятся исключительно малыми, причем ассортимент сверхпроводниковыхи полупроводниковых материалов существенно расширен, является одним из ценныхсвойств рассматриваемых структур, которые базируются на передовой технологииБИС. Тенденция к освоению в микроэлектронике свойств твердого тела прикриогенных температурах, проявившаяся благодаря успехам в создании различныхкриоэлектронных приемных систем на базе сверхпроводников, узкозонныхполупроводников и других материалов, неуклонно пробивает себе дорогу.Одновременно, как видно из данной работы, появилась и другая тенденция,созревшая но мере развития электронного материаловедения и функциональноймикроэлектроники. Это — переход к созданию в едином технологическом цикле ужене только материалов, например полупроводниковых кристаллов, и не толькоэпитаксиальных пленок из одного материала, но сначала «простых»полупроводниковых гетероструктур, МДП-структур, вплоть до рассматриваемых сложныхструктур С—П, С—П—С и др. Эти структуры можно назвать функциональными.

  Прикладное значение контактовсверхпроводников и полупроводников для микроэлектроники  с годами, особенно помере развития технологии получения сверхтонких однородных полупроводников,сверхпроводников, слоев и субмикронных зазоров, возрастало наряду свозрастанием значения полупроводниковых охлаждаемых  гетероструктур.

  Новые криоэлектронныеструктуры на базе контактов сверхпроводников с полупроводниками и полуметалламитак же, как и новые структуры на базе контактов сверхпроводников с нелинейнымисегнетоэлектриками в параэлектрической фазе (при Т>Тс) и нелинейнымикриопараэлектриками, в которых заложены многие новые функциональные возможности,заняли свое место среди новых материалов и структур микроэлектроники. При этоммогли появиться приборы как бы с тройной интеграцией: интеграцией элементов,интеграцией материалов и явлений и интеграцией функций в одной твердотельнойсхеме с корпусом-криостатом.

  Полезно обратить внимание напринципиальное различие между энергетической щелью (запрещенной зоной) в полупроводникеи щелью в сверхпроводнике. В полупроводнике минимумы энергии Е(р) определяютсякристаллической решеткой и наличие щели приводит при Т==0 К (при отсутствииконтакта со сверхпроводником), к нулевой проводимости. В сверхпроводнике минимумыЕ(р) определяются взаимодействием электронов внутри электронной системы иналичие щели приводит к бесконечной проводимости.


ЗаключениеНовые проблемы и пути их решения

  Криоэлектронику часто относятк микроэлектронике, считая ее высшей ступенью создания интегральных пленочныхсхем для ЭВМ. Это определение весьма неполное и охватывает только одно изнаправлений криоэлектроники—интегральную криотронику на тонкопленочныхсверхпроводниковых элементах со слабой связью. В целом же интегральнаякриоэлектроника, базируясь на достижениях технологии современноймикроэлектроники, включает более широкий круг проблем, без решения которыхневозможно создать приборы, работающие при криогенных температурах и пригодныедля серийного производства и постоянной эксплуатации. Дело в том, чтокриоэлектроника в отличие от полупроводниковой микроэлектроники опирается нановые физические явления, такие как: сверхпроводимость, эффекты Джозефсона,явления в узкозонных полупроводниках, полуметаллах, параэлектриках и др.,проявляющиеся только при охлаждении и не реализованные ранее. При этомкриоэлектронный микроприбор или интегральная криоэлектронная схема можетпредставлять собой симбиоз охлаждаемой электронной схемы и охладителя(газового, электронного либо радиационного). Развитие интегральнойкриоэлектроники, как и развитие всей микроэлектроники, знаменует собой новыйэтап в электронной технике. Внедрение криоэлектронных приборов в народноехозяйство, в технику связи и телевидение, вычислительную, радиолокационнуютехнику и приборостроение не только позволяет в больших системах уменьшитьгабариты, массу и стоимость аппаратуры при увеличении ее надежности, но иприведет к коренному улучшению электрических параметров этой аппаратуры. Каквидно из приведенных материалов, уровень охлаждения в основном определяетпараметры и область применения криоэлектронных приборов. Приборы азотногоуровня охлаждения, самые дешевые и легкие, могут все шире применяться вмассовой мобильной аппаратуре, а приборы гелиевого уровня охлаждения,энергопотребление которых в 25—70 раз больше, находят применение встационарных, тяжелых объектах или там, где уже есть жидкий гелий. При этомэлектрические параметры приборов гелиевого уровня, в которых могутиспользоваться сверхпроводники, будут значительно лучше параметров приборовдругих уровней охлаждения, где сверхпроводники применить не удается. Границыприменения криоэлектронных изделий трудно установить, но совершенно очевидно,что расширение и углубление научных, конструкторских и технологических работ вобласти криоэлектроники вообще и, в частности, техники криостатирования позволяетрешить ряд важных проблем.

  Первая проблема — освоениедальнего и сверхдальнего ИК диапазонов для приема естественных и лазерных ИКизлучений. Это позволяет расширить спектральные границы систем для изученияприродных ресурсов Земли и планет и поставить новые твердотельные охлаждаемыелазеры, эффективно работающие в ИК диапазонах на службу человеку.

  Вторая проблема—созданиекриоэлектронных индикаторов слабого теплового излучения на базе интегральныхприборов с зарядовой связью для тепловидения в промышленности, геологии и вмедицине. Есть основание полагать, что криоэлектронные индикаторы дадут возможностьосуществить раннюю диагностику ряда раковых заболеваний.

  Третья проблема—созданиемассовых малогабаритных сверхчувствительных приемников, воспринимающих свысокой избирательностью по частоте и помехозащищенностью такие слабые радиосигналы,которые обычные приемники даже не в состоянии обнаружить. Эти приборы находятсамое широкое применение в системах оповещения, управления, связи, телевидения,телеметрии, пассивной локации и навигации, космической техники,радиоастрономии, приборостроения и системах наведения. При этом, например,дальность обнаружения пассивной локации, связи, телеметрии возрастает в 2—3 раза, защита от помех в 10—100раз. Прием сверхдальнего телевидения через спутник в любой точке страны в новыхвысокоинформативных участках СВЧ диапазона возможен непосредственно домашнимителевизорами с помощью небольшой коллективной антенны. Разработка твердотельныхперестраиваемых и модулируемых лазеров дальнего ИК диапазона и создание новоготина твердотельных СВЧ генераторов, имеющих при высоком к. п. д. стабильностьчастоты, присущую квантовым генераторам, в десятки и сотни раз большую выходнуюмощность во всем СВЧ диапазоне, является четвертой проблемой.

  Криоэлектроника позволиласоздать большие и сверхбольшие интегральные схемы нового типа на основесверхпроводящих пленочных структур для разработки нового класса электронныхвычислительных машин со сверхбольшой памятью, меньших по габаритам и в 10— 100раз более производительных, чем ранее существующие. В результате успешногорешения технологических проблем в 1980—1985 гг. были изготовлены ЗУ с емкостью 256Кбит на кристалле, временем записи и считывания 620 и 340 нс соответственно и потребляемоймощностью 7 мкВт.

  Согласно прогнозам давних летсверхпроводниковая ЭВМ могла бы быть изготовлена к 1990 г., причем памятьбольшой емкости — к 1983—1985 гг., а Центральный криоэлектронный процессор — к1985—1987 гг. Однако из-за необходимости охлаждения сверхпроводниковыевычислительные устройства имеют ограниченные специальными целями применения.Значительный прогресс в разработке и выпуске, холодильных устройств (криостатови рефрижераторов с замкнутым циклом на температуру 4,2 К) существенно удешевляетзатраты, связанные с охлаждением. Действительно, ЗУ емкостью 108 битсостоит из 5*103 пластин размером 1 см2 содержащих каждая2*104 бит. Мощность, потребляемая одной платой 10-4 Вт,полным ЗУ—0,5 Вт.

  В эти же годы, по прогнозу,должны были быть созданы комбинированные (с газовым каскадом) и электронныетвердотельные микроохладители на различные уровни криогенных температур, вакуумныеи твердотельные приборы со сверхпроводящими соленоидами для освоения новых СВЧдиапазонов (миллиметровых и субмиллиметровых волн), измерительные приборы сразрешающей способностью и чувствительностью в 100—1000 раз лучше существующих.

  Характерной чертой электроникиявлялось разнообразие материалов, применяемых в электронной технике. Наряду сдиэлектриками и широкозонными полупроводниками все большую роль в электроникеиграли узкозонные полупроводники, материалы с температурой Кюри, лежащей вобласти криогенных температур, и сверхпроводящие материалы. Если ранее широкомувнедрению сверхпроводников в электронику препятствовало то, чтосверхпроводимость в них наступала при очень глубоком охлаждении, близком кабсолютному нулю, то теперь положение коренным образом изменилось.Синтезированы новые материалы, которые уже при Т~20 К становятся сверхпроводниками, созданы узкозонныеполупроводниковые твердые растворы, полуметаллы, тонкие пленки, гетеро- иваризонные структуры на их основе, параэлектрические пленки на SrTiO3 с высокой нелинейностью,примесные пленки. Для выполнения столь обширной программы в области криоэлектроникинеобходима консолидация научных сил, занимающихся низкотемпературным материаловедением,низкотемпературной электроникой твердого тела и криогенным приборостроением, атакже проведение фундаментальных работ по основным направлениямкриоэлектроники, без которых нельзя ликвидировать создавшийся разрыв междубольшими открытиями в физике низких температур, прежде всего посверхпроводимости и свойствам узкозонных полупроводников, полуметаллов ипараэлектриков при криогенных температурах, и возможностью их широкого практическогоиспользования. Вместе с тем очевидно, что развитие криоэлектроники обогащалонаучно-техническую оснащенность страны, способствовало более быстрому развитиюфизики, химии, радиотехники, связи, автоматики, приборостроения. С каждым годомувеличивалось влияние криоэлектроники на другие области электронной техники.Это обусловлено тем, что непрерывное улучшение параметров электронных приборовпостепенно приближает их к теоретически возможному пределу при обычныхтемпературах. Глубокое охлаждение позволяет намного перешагнуть эти пределы иприменять охлажденные приборы в едином модуле с криоэлектронными, что приводитккомплексной микроминиатюризации сложной радиоэлектронной аппаратуры.

  Приборы криоэлектроники, как иприборы вакуумной, полупроводниковой, квантовой электроники и микроэлектроники,должны непрерывно дополнять и расширять возможности электроники. Это открылоогромные перспективы. На рубеже 1985—1995 гг. планировалось осуществить разработкуи выпуск многоспектральных криоэлектронных приемных устройств, перекрывающих средний, дальнийи сверхдальний ИК диапазоны для комплексов изучения природных ресурсов Земли ипланет. А также следующее:

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

—    широкое внедрениекриоэлектронных приборов, обеспечивающих непосредственный прием через космосмногих программ телевидения в любой точке Земли домашними телевизорами, а такжеприем сверхдальнего телевидения в салонах самолетов дальних рейсов, поездах ипароходах дальнего следования, в автомобилях. Возможен прием в любой точкеЗемли цветного телевидения, передаваемого как земными телецентрами, так ителецентрами других объектов;

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

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

—   разработка массивов криотронныхмикропереключателей с внутренней логикой для создания автоматическойтелескопной связи, охватывающей в единой системе народное хозяйство и населениестраны. Одной из причин, вынуждающих уже сегодня все шире применятькриоэлектронные приборы, является резкое усложнение условий, в которых должныработать электронные приборы. С каждым годом область рабочих температур непрерывнорасширяется, и если когда-то температура —80°С была пределом для интегральнойсхемы, 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) гелийи отвердевшие замороженные газы — вот примеры сред, в которых должны функционироватьсовременные приборы электроники.

  Развитие в мире нового видаэнергетики, основанного на промышленном использовании криогенного водородноготоплива (газа, жидкой и твердой фазы) вместо минерального топлива и электроэнергии,стремительное освоение космоса делают все более обычным внедрение криоэлектронныхизделий в народное хозяйство.

  В заключение необходимоотметить, что развитие криоэлектроники, конечно, не приводит к заменесуществующих методов создания электронных приборов, а лишь расширяетвозможности электронной техники, особенно там, где не требуетсясверхминиатюрность, а высокие электрические параметры интегральных устройствявляются определяющим фактором.

Вывод

  Применениекриогенных температур в электронике в промышленных масштабах началось в 50-хгг. ХХ в. в СССР, США и др. странах, когда были получены важные для радиоэлектроникипрактические результаты исследований низкотемпературных явлений в твердом телеи достигнуты успехи в области криогенной техники по разработке малогабаритных,экономичных и надежных систем охлаждения. Существенную роль в развитиекриоэлектроники сыграли потребности радиоастрономии и космической связи врадиотелескопах и земных станциях, обладающих высокочувствительными приемнымитрактами, с помощью которых можно было бы компенсировать затухания радиоволнпри распространении на протяженных трассах. Применение криогенного оборудованияпозволило снизить собственные тепловые шумы входных цепей радиоэлектронныхустройств, предназначенных для работы при малом отношении сигнал-шум. В СССРрезультатом комплексных исследований свойств охлажденного твердого тела сталосоздание в 1967 системы земных станций космической связи «Орбита» дляприема программ центрального телевидения  через спутник связи«Молния» в диапазоне частот около 1 ГГц. В составе приемнойаппаратуре земных станций применялся многокаскадный широкополосный малошумящийпараметрический усилитель, первые каскады которого охлаждались жидким азотом.Важным этапом в развитие криоэлектроники явились разработка в СССР первого вмире приемника субмиллиметрового диапазона длин волн с гелиевым охлаждением иего успешные испытания в 1978 на борту научно-исследовательского комплекса«Салют-6» — «Союз-27». Установленный в 1979 нарадиотелескопе АН СССР (РАТАН-600) криоэлектронный радиометр вывел этотрадиотелескоп в разряд одного из самых чувствительных в мире и позволил напорядок увеличить объем информации о радиоизлучении Галактики. В 1984-86 впроцессе реализации многоцелевого международного проекта «Венера — кометаГаллея» криоэлектронный параметрический усилитель в составе радиоприемнойаппаратуры обеспечил прием с расстояния более 100 млн. км радиолокационногоизображения планеты Венера и крупномасштабных телевизионных изображений кометыГаллея с космических аппаратов«Венера-15»,«Венера-16»,«Вега-1»,«Вега-2».

                                     

Приложение

Таблица № 1Некоторые свойства веществ при криогенныхтемпературах.

Газы

(«криогенные»)

Диэлектрики, параэлектрики, сегнетоэлектрики Полупроводники, полуметаллы, безщелевые и узкозонные полупроводники Нормальные металлы Сверхпроводники Ожижение азота Фазовые переходы Изменение подвижности и концентрации носителей

Увеличение проводимости при Т<<QD

Исчезновение активного сопротивления Отвердевание азота Аномальный рост  e и изменения tg d у ионных кристалов вблизи температуры Кюри – Вейсса

Ударная ионизация при kT< Ei  

Эффекты шнурования  тока

Магнитно-диодный эффект

Аномальный скин-эффект на СВЧ

Спонтанное возникновение ферромагнетизма у металлов с низкими температурами Кюри

Идеальный диамагнетизм, макроскопические эффекты

Квантование магнитного потока

Вихревая структура у сверхпроводников 2 рода и пленок

Отвердевание кис-лорода, парамагнетизм кислорода

Ожижение и отвердевание неона

Возникновение спонтанного электрического дипольного момента

Вымораживание примесей

Образование примесных зон и явления перескока

Наведенная сверхпроводимость

Резонансные явления

Изменение теплоемкости и теплопроводности

Взаимодействие внешнего поля с энергентической щелью

Реактивность поверхностного импеданса

Критические параметры

Скачки теплоемкости и теплопроводности

Ожижение и отвердевание водорода

Ожижение гелия

Эффект «отрицательного сопротивления объема»

Образование экситонов

Появление проводимости в примесной зоне

Сверхтекучесть гелия

Рост подвижности

Аномалии теплопроводности и теплоемкости

Аномалия теплоемкости и теплопроводности Дисперсионные явления в ИК диапазоне

Резонансные явления

Магнитоплазменные волны, геликоны

Квантовые осцилляции поверхностного импданса Поверхносная сверхпроводимость Аномалии распространения звука в гелии

Влияние нулевых колебаний

Отклонение от закона Кюри-Вейсса

Туннелевое прохождение

Электронный парамагнитный, ядерный магнитный и циклотронный резонансы

Неравновесная сверхпроводимость

Генерация и детектирование фонов больших энергий

Электронный термомагнитный эффект Изменения границ поглощения ИК области Поглощение ИК волн «мелкими» примесными уровнями Аномалии эффектов, связанных с переносом зарядов (гальваномагнитный, термоэлектрический, гальванотермомагнитный) Геликоны

Уменьшение потерь

Релаксационные механизмы при воздействии СВЧ облучений

Увеличение электронов фононами Наведенная сверхпроводимость

Явления «пиннинга»

«Туннельный эффект»

Образование «горячих носителей» и плазменных явлений Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона

Электрокалорические явления

Аномалии теплопроволности

Сверхпроводимость при наличии давления Сверхпроводимость в вырожденных материалах Туннельные эффекты в пленочных структурах с диэлектрической прослойкой Инверсии подвижности и типа проводимости

 

Сверхпроводимость при наличии большого давления Охлаждение ультразвуком

 

Нелинейные явления в слабосвязанных сверхпроводниках

               


(Рис. 1) Типы возможных структури интегральных устройств на основе контактов сверхпроводниковых материалов сполупроводниками:

 

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/>

Интегральные гене-раторные схемы с перестройкой

  <td/>

Приемники радиовидения

  <td/>

Запоминающие устройства

  <td/>

Усилители- преселекторы

  />  

 


                У  С  Т  Р  О  Й  С  Т  В  А/>/>/>/>/>/>                                                                                  

/> /> /> /> /> /> /> />

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>                    С  Т  Р  У  К  Т  У  Р  Ы                                                                                       

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

На основе Сп (А-15)

  <td/>

Туннельные

  <td/>

Планар-ные

  <td/>

Слоистые высокотемпературные

  <td/>

Двухмерные сверхрешетки

  <td/>

Трехмерные сверх-

решетки

 
(Рис.2) Криоэлектронные приборы и устройстваиспользуются в различных областях электроники, метрологии и стандартизации, длясоздания вычислительной техники, в интересах обороны, освоения космическогопространства и радиоастрономии, а также других отраслей промышленности,морского флота, сельского хозяйства, геологии.

Космическаясвязь, локация и наведение кораблей, поиск и обнаружение теплоизлучающих объектов,дистанционное измерение температур, спектральный анализ атмосферы планет, тепловидениев медицине, промышленности и геологии — все эти задачи может успешно решать криоэлетроннаятехника.

******** Здесь было два рисунка(американский спутник икриогенная лаборатория)**********

/> <td/> />
(Рис. 3) Металлические гелиевые криостаты

Криостат ( от крио… и греч. Statos –стоящий, неподвижный), термостат, рабочий объем которого поддерживается прикриогенных температурах за счет постороннего источника холода. Обычно вкачестве источника холода (хладагента) применяют сжиженные или отвержденныегазы с низкими температурами конденсации ( азот, водород, гелий и др.). Поуровню поддерживаемой температуры и роду используемого хладагента различаюткриостат гелиевого, водородного и азотного уровней охлаждения. Температурупомещенного в криостат объекта регулируют изменением давления паров хладагенталибо с помощью системы терморегулирования, установленной между источникомхолода и объектом.

           

(Рис. 4) Сверхпроводящий криоэлектронныйрезонатор

                          -резонатор с высокимзначением добротности (до 1011)

/>

Список литературы

1.  Алфеев В.Н.«Радиотехника низких температур», М., 1966г.

2.  Алфеев В.Н.«Полупроводники, сверхпроводники и параэлектрики в криоэлектронике»,М., 1979г.

3.  «Большая советскаяэнциклопедия», М., 1985г.

4.  Вендак О.Г.,Гарин Ю.Н. «Криогенная электроника, М., 1977г.

5.  Губанков В.Н.»Итоги науки и техники, серия радиоэлектроника, т.38", М., 1987г.

6.  Джалли У.П.«Криоэлектроника», М., 1975г.

7.  " Криогеника", М.,1986г.

8.  Интернет: сервер NASA (www.nasa.gov)

9.  " Электроника:Энциклопедический словарь", М., 1991г.

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике