Криоэлектроника. Что такое криоэлектроника?

1.

Криоэлектроника
Подготовил студент группы ЭП-22
Юркевич Вадим

2.

Цель работы
Рассказать об области науки и
электроники такой, как
криоэлектроника, о принципе её
работы, видах, о её появлении, об
области применения и развитии на
сегодняшний день.

3.

Что такое криоэлектроника?
Криоэлектроника (криогенная электроника) (от
греческого «криос» - холод, мороз) - направления
электроники и микроэлектроники, охватывающие
исследование взаимодействия электромагнитного поля с
электронами в твердых телах при криогенных
температурах и создание электронных приборов на их
основе.
Большинство современных криоэлектронных приборов
основано на явлении сверхпроводимости, в частности,
на эффекте Джозефсона, а также на
явлении одноэлектронного туннелирования между
сверхпроводниками.

4.

Сверхпроводимость
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. КамерлингОннесом в 1911 году.

5.

Сверхпроводимость
Сверхпроводимость, свойство многих проводников, состоящее
в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до
нуля при охлаждении ниже определённой критической
температуры Тк, характерной для данного материала.
Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических
элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических
соединений, а также у некоторых полупроводников.
Скачкообразное исчезновение сопротивления при понижении
температуры впервые наблюдал X. Камерлинг-Оннес на ртути
(рис.).
Зависимость сопротивления R от
температуры Т для ртути (Hg) и для
платины (Pt). Ртуть при Т = 4,12 ºК
переходит в сверхпроводящее
состояние. R0°С - значение R при 0
°С
http://ppt.prtxt.ru

6.

Сверхпроводимость
Большое значение для развития
криоэлектроники имело открытие эффекта Джозефсона.
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.

7.

Основные направления криоэлектроники
Все криоэлектронные приборы в зависимости от температуры
охлаждения, применяемых материалов и явлений в них могут
быть разделены на изделия азотного, неонового, водородного
и гелиевого уровней охлаждения. Уровень охлаждения во
многом определяет параметры и области применения
криоэлектронных изделий.
По назначению криоэлектронные приборы можно разделить
на несколько групп:
• приборы квантовой метрологии;
• низкочастотные измерительные приборы –
сверхпроводниковые квантовые интерферометрические
датчики (СКВИДы) для измерения магнитных полей;

8.

Основные направления криоэлектроники
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.

9.

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

10.

Криотроны. Криоэлектронные усилители.
Проблема приёма слабых сигналов СВЧ стимулировала появление
низкотемпературных твердотельных усилителей, основанных на
разных физических явлениях и обладающих ничтожно малыми
шумами. К ним следует отнести прежде всего парамагнитный
квантовый усилитель и параметрический усилитель, работающий при
температуре 90K. В последнем роль активного элемента
(параметрического полупроводникового диода) играет либо р—nпереход в полупроводнике с высокой подвижностью носителей при Т
< 90К, либо переход металл — полуметалл (InSb, рис.1).
Рис.1 — эквивалентная схема
низкотемпературного параметрического
усилителя; б — вольтамперная характеристика
перехода металл—полуметалл и зависимость его
ёмкости С от напряжения при Т < 80 К;
пунктиром показана эта же характеристика при
комнатной температуре (300 К): Uн и Wн —
напряжение и частота накачки; в — переход
металл—полуметалл является активным
элементом усилителя.

11.

Криотроны. Криоэлектронные усилители.
Сверхпроводниковый усилитель также основан на принципе
параметрического усиления, но в этом случае периодически
изменяется не ёмкость С колебательной системы, а её
индуктивность L (рис. 2). Индуктивным элементом такого усилителя
служит тонкая плёнка сверхпроводника при температуре несколько
ниже Tkp. В сверхпроводящей плёнке возникает т. н.
«сверхиндуктивность» Lк обусловленная кинетической энергией
движущихся сверхпроводящих электронных пар. Индуктивность Lk
при определённом выборе геометрии плёнки может преобладать
над обычной индуктивностью L проводника.
Рис. 2. а — схема сверхпроводящего
усилителя; L — yправляемая
индуктивность; Rп — сопротивление
перехода Джезефсона; б — активный
элемент усилителя.
http://ppt.prtxt.ru

12.

Криотроны. Криоэлектронные усилители.
Параэлектрические усилители основаны на аномально высокой
поляризации некоторых диэлектриков при низких температурах.
Диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков от 10 до
15•103, при Т < 80К появляется сильная зависимость
диэлектрических потерь от внешнего электрического поля (рис. 3).
Активный элемент параэлектрического усилителя представляет
собой электрический конденсатор, заполненный таким
параэлектриком, помещенным в электромагнитное поле (накачка).
Ёмкость такого конденсатора периодически изменяется с частотой
накачки, что позволяет осуществить параметрическое усиление.
Рис. 3 — активный элемент
параметрического усилителя; б —
зависимость его ёмкости С от
напряжения при Т = 4, 2 К, пунктир —
эта же зависимость при комнатной
температуре.
http://ppt.prtxt.ru

13.

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 к интегральному криоэлектронному модулю, т. е. к
интегральной криоэлектронике.
Родились новейшие направления интегральной криоэлектроники,
из которых наибольшее развитие получают:
• интегральная криоэлектроника ИК диапазона
• интегральная СВЧ криоэлектроника
• интегральная криоэлектроника на основе слабосвязанных
сверхпроводников для вычислительной техники
http://ppt.prtxt.ru

14.

Интегральная криоэлектроника
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;
http://ppt.prtxt.ru

15.

Интегральная криоэлектроника
• применение криогенной технологии для создания
криоэлектронных элементов.
• 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;
http://ppt.prtxt.ru

16.

Тенденции развития
За рубежом (США, Япония) разработаны и уже нашли
практическое применение в электронике различные типы
низкотемпературных сверхпроводящих устройств. Наиболее
известными из них являются СКВИДы, используемые в
магнитометрах.
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.
http://ppt.prtxt.ru

17.

Тенденции развития
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.
http://ppt.prtxt.ru

18.

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