Реферат: 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.