УСТРОЙСТВА КРИОЭЛЕКТРОНИКИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Сверхпроводимость используется в электронике с середины 60-х годов. За это время накоплен большой опыт по разработке элементной базы, технологии и конструированию элементов и приборов, использующих сверхпроводимость и другие низкотемпературные физические явления в электронике. Как у нас в стране, так и за рубежом были разработаны и испытаны сверхчувствительные измерители магнитного потока, тока и напряжения, созданы уникальные магнитометры и градиентометры, приемники излучения, превосходящие самые совершенные полупроводниковые устройства.

Открытие ВТСП материалов и совершенствование техники криостатирования стало мощным стимулом как самих разработок по криоэлектронике, так и их практического использования в телекоммуникационной, приборной, компьютерной и медицинской технике.

В криоэлектронике можно выделить три большие области: пассивные сверхпроводящие элементы, СКВИД – электронику (сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства) и цифровую технику с большим количеством, как правило, джозефсоновских элементов.

Переход к высокотемпературным сверхпроводникам важен не только с точки зрения увеличения рабочих температур пассивных СВЧ устройств, но и расширения рабочего диапазона частот до сотен гигагерц. Кроме того, использование ВТСП приводит к малым потерям, практическому отсутствию дисперсии сигнала, возможности управлять параметрами устройств за счет изменения реактивных или резистивных свойств под внешним воздействием. Это распространяется на широкий спектр пассивных СВЧ устройств.

В СКВИД – электронике используется очень высокая чувствительность СКВИДов к изменению магнитного потока. Благодаря этому СКВИДы находят применение в прецизионных приборах, измеряющих предельно малые токи, напряжения и изменения магнитного потока. По этим параметрам можно оценивать многообразные свойства и явления – от перемещения в пространстве до химических реакций.

В области цифровой криоэлектроники происходит постоянный рост числа элементов на одном чипе и по-прежнему целью является создание устройств с тактовой частотой более 100 ГГц и энерговыделением на один вентиль менее 0,1 мкВт. Например, квантовый стандарт Вольта получают методом интеграции 10⁴ джозефсоновских переходов на одном чипе. В то же время в космическом эксперименте на спутнике ARGOS испытывались сверхпроводниковые системы, обеспечивающие более чем 100-кратное снижение мощности при 10-кратном увеличении быстродействия и 10-кратном уменьшении массы по сравнению с современными полупроводниковыми системами на основе кремния или арсенида галлия.

В этой главе мы рассмотрим основные направления высокотемпературной криоэлектроники, имеющие перспективы развития на сегодняшний день, особенности приборов на основе ВТСП в сравнении с традиционной криоэлектроникой. В силу ограниченности объема данного пособия, многие вопросы низкотемпературной криоэлектроники здесь не были освещены, с ними можно ознакомиться например в [4,17].