Приборы на S – N переходах

Отдельное место в СВЧ электронике занимают приборы, использующие переход сверхпроводящее – нормальное (S – N) состояние. При этом решающее значение имеет переход СВЧ поверхностного сопротивления пленки при переходе ее из S в N состояние. Отношение поверхностных сопротивлений R_N/R_S может достигать 103 – 105.

Переключение может быть инициировано различными факторами. Мы кратко остановимся на трех случаях: переключение транспортным током (СВЧ ограничитель импульсов), переключение управляющим импульсом (СВЧ модулятор) и переключение лазерным излучением (перестраиваемый СВЧ фильтр).

Представляет интерес использование S-N перехода в схемах защиты входа радиотехнической системы от попадания мощного внешнего электромагнитного импульса, вызванного радиотехническими средствами или природными явлениями (молния и т. п.). На рис. 3.3, а приведена простейшая схема защиты приемника путем ограничения сигнала на его входе.

а) б)

Рис. 3.3. Схема ограничителя СВЧ импульсов (а); б – передаточная характеристика;
1 – ВТСП пленка, 2 – подложка

При слабом уровне сигнала пленка представляет собой почти чистую индуктивность, включенную в цепь полосового фильтра, затухание которого ничтожно мало. При превышении сигналом порогового уровня происходит переход S-N в пленке и затухание фильтра резко возрастает.

Переходная характеристика такого фильтра – ограничителя показана на рис. 3.3, б. Под действием импульса I ≥ 3I_пр (I_пр – ток начала S – N перехода) разрушение S – состояния в пленках Nb, NbN происходит за время порядка 10^-10 с. ВТСП пленки имеют постоянную времени на 1 – 2 порядка меньше (10^-12 – 10^-11с). Столь малые времена переключения обеспечивают быстродействие ограничителей на основе сверхпроводящих пленок, гарантирующие малую энергию пика просачивания (τ), который проходит через ограничитель на входе приемника. По этому параметру сверхпроводниковые ограничители превосходят все традиционно используемые ограничители на основе плазменных разрядников (τ ≈ 0,5 мкс), металлоокисных варисторов (τ ≈ 0,2 мкс), полупроводниковых диодов (τ ≈ 1 нс).

Схема компланарного модулятора СВЧ сигнала представлена на рис. 3.4, а.

а) б)

Рис. 3.4. Компланарный СВЧ модулятор (а), использующий S-N переход:
1 – ВТСП пленка; 2 – генератор управляющих импульсов; б – осциллограммы управляющих импульсов и изменения затухания тракта во времени

СВЧ волна проходит по компланарной линии передачи (1). Переход S – N этой линии вызывается импульсами управляющего тока (I_упр>I_с) генератора (2). В случае незначительного превышения управляющего тока (I_упр) над критическим током (I_с) пленки, время перехода S – N составляет 10^-9 – 10^-8 с. Затухание СВЧ волны в линии изменяется от 0,3 до 40 дБ.

Управлять S – N переходом можно также с помощью оптического излучения, например, лазерного. Таким образом можно перестраивать параметры СВЧ фильтра, СВЧ генератора и т.д.

На рис. 3.5 приведена схема S – N ключа на тонкой пленке сверхпроводника с управлением импульсом излучения гетеролазера.

а) б)

Рис. 3.5. S – N – переход с лазерным управлением (а): 1 – гетеролазер; 2 – световод; 3 – ВТСП пленка на диэлектрической подложке; б – АЧХ фильтра с управляемой добротностью

Большая крутизна фронта излучения гетеролазера и малая тепловая инерционность тонкой пленки сверхпроводника на подложке с высокой теплопроводностью позволяют получать на традиционных сверхпроводниках (Nb, NbN) продолжительность процесса переключения порядка 10^-8 с при разрушении S – состояния и порядка 10^-7 с при его восстановлении. Длительность переходных процессов определяется длительностью процессов тепловой релаксации в системе пленка – подложка. В ВТСП пленках эти процессы протекают быстрее и время переключения здесь меньше.

Если воздействовать излучением на элемент фильтра (рис.3.5, а), то его переход S – N резко изменяет частотную характеристику (рис. 3.5, б).

С помощью оптического излучения можно также модулировать составляющие высокочастотного импеданса ВТСП пленок, которые являются нелинейными элементами [19]. Если на ВТСП пленку падает модулированный по интенсивности оптический сигнал

, (3.9)

где Ф₀ – интенсивность излучения,

ω_M – частота модуляции,

t – время,

то активная (сопротивление) и реактивная (кинетическая индуктивность) составляющие поверхностного импеданса пленки модулируются по закону “накачки”, т.е.:

, (3.10)

, (3.11)

где m_L, m_R – глубины модуляции,

t_С=Т/Т_С.

Таким образом с помощью лазерного облучения ВТСП элемента в цепи RC – генератора можно осуществлять оптическое управление генератором.

Контрольные вопросы

1. Назовите пассивные СВЧ устройства.

2. Укажите преимущества использования ВТСП в СВЧ устройствах.

3. В чем особенности работы СВЧ линии задержки на ВТСП?

4. Опишите работу ВТСП полосковой линии.

5. Как работают ВТСП фильтры?

6. Как работают ВТСП резонаторы?

7. Где используются S – N переходы?

Болометры

Одним из перспективных и, по-видимому, наиболее просто реализуемых устройств на базе ВТСП пленок являются широкополосные детекторы субмиллиметрового, ИК – и оптического излучения, основанные на болометрическом эффекте, либо на других эффектах, существенно использующие особенности неравновесного состояния сверхпроводника. В этих системах, применяемых в медицине, геологии, астрономии, промышленности, на вход приемников теплового излучения попадает сигнал такой малой мощности, которую неохлаждаемые приемники даже не в состоянии обнаружить.

В отличие от фотонных приемников, работа которых связана с генерацией носителей заряда под действием поглощенных фотонов из валентной зоны или примесного уровня, сигнал на выходе тепловых приемников зависит от мощности поглощенного излучения и не зависит от его спектрального состава. Это позволяет создавать многоспектральные приемные устройства на основе только одного типа теплового приемника. Если в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах преимущество фотонных фотоприемников неоспоримо, то по мере освоения более длинноволнового ИК излучения повышается конкурентоспособность тепловых приемников. Это особенно проявляется при использовании тепловых приемников для обнаружения собственного излучения объектов, находящихся на низкотемпературном фоне. В сверхдальнем ИК диапазоне фотонные приемники уже не применимы.

Основными параметрами, характеризующими приемники являются: вольт-ваттная чувствительность, постоянная времени, порог чувствительности и обнаружительная способность.

Интегральная чувствительность S есть отношение приращения электрического сигнала на выходе приемника ∆U к приращению падающего потока ∆W

· (3.12)

Чаще всего выходной сигнал измеряется в виде напряжения, в этом случае интегральная чувствительность называется вольт-ваттной. Ее величина определяет крутизну преобразования лучистой энергии в электрический сигнал и позволяет оценить приемник с точки зрения его согласования с усилителем.

Постоянная времени τ определяет частотную характеристику приемника. Для тепловых приемников в случае синусоидально – модулированного сигнала частотная зависимость чувствительности приемника имеет вид:

. (3.13)

Частота модуляции, при которой чувствительность уменьшается в раза по сравнению с чувствительностью на нулевой частоте S₀, называется граничной частотой модуляции f_гр. Характеристическое время называемое постоянной времени приемника излучения:

. (3.14)

Постоянная времени зависит от конструкции приемника.

Порог чувствительности P_n (или эквивалентная мощность шума) характеризует возможность выделения слабых сигналов на фоне шума и определяется как минимальное значение лучистого потока, вызывающего на выходе сигнал, равный напряжению шумов U_ш:

, (3.15)

где ∆f – единичная полоса пропускания.

Поглощенная мощность зависит от площади приемной площадки А, поэтому для сравнения приемников с различной геометрией часто применяется наиболее универсальный параметр – обнаружительная способность:

. (3.15)

Обнаружительная способность идеальных тепловых приемников, ограниченная лишь тепловыми флуктуациями с энергией kT атомов кристаллической решетки материала, из которого изготовлен приемник:

, (3.16)

где σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Из последнего выражения следует, что для достижения высоких пороговых параметров целесообразно применять глубокое охлаждение.

Сверхпроводниковые болометры представляют собой особый класс тепловых приемников и основаны на резком изменении сопротивления при переходе сверхпроводниковых материалов из нормального состояния в сверхпроводящее. Основными преимуществами сверхпроводниковых болометров является высокая интегральная чувствительность (достигающая на лучших образцах – 10⁶ В/Вт при быстродействии около 100 мкс) и низкие шумы, позволяющие достичь значений обнаружительной способности порядка 10¹⁴ м·Гц^½ Вт^-1. Среди известных одноэлементных конструкций сверхпроводниковых болометров основными являются (рис. 3.6): неизотермический болометр на тонкой подложке (а), неизотермический болометр с теплоизолирующей областью (б), изотермический болометр с выделенной мишенью (в), болометр на твердой подложке (г).

Рис.3.6. Основные типы сверхпроводниковых болометров: 1 – приемная площадка,
2 – теплоизолирующая область, 3 – теплопроводящее основание, 4 – электрические контакты

Среди одноэлементных сверхпроводниковых болометров можно выделить два основных класса: быстродействующие, к которым относятся болометры на твердой подложке, и высокочувствительные, в которых для повышения чувствительности уменьшается тепловая связь между теплопроводящим основанием и приемной площадкой. Достигнутые наименьшие значения постоянной времени одноэлементных болометров на твердой подложке составляют 20 нс (при чувствительности 1,7·10³ В/Вт). Наибольшая чувствительность болометров на тонкой подложке при τ=4·10^-3 с может достигать значений порядка 10⁶ В/Вт.

Для правильно сконструированного болометра инвариантом, не зависящим от теплопроводности границы приемный элемент – термостат, является произведение:

, (3.17)

где С – теплоемкость приемного элемента;

G – теплопроводность.

Таким образом:

. (3.18)

Анализ этого простого выражения показывает, что увеличение температуры с 4,2 до 77 К должно привести к резкому ухудшению чувствительности. Так, порог чувствительности при сохранении быстродействия уменьшается на 4 порядка (10^-13 Вт/Гц^½). Однако даже такие устройства, не обладающие рекордными параметрами, находят применение, поскольку в длинноволновой области спектра они не имеют конкурентов. Пироэлектрические приемники и ячейки Голея имеют эквивалентную мощность шума на три порядка хуже (10^-10 Вт/Гц^½). Проблемы, которые возникают при создании ВТСП болометров, связаны с уменьшением теплоемкости системы пленка – подложка, что и следует из выражения (3.18).

Альтернативой традиционному болометру является прибор, использующий детектор на гранулированных ВТСП пленках, сопротивление которого возрастает при подавлении излучением критических токов слабых связей, соединяющих гранулы. Таким детекторам, однако, присущ ряд недостатков, в частности, довольно высокий уровень избыточных шумов.

Более перспективное устройство, т. н. электронный болометр, в котором за счет создания определенных условий излучение разогревает только электронную подсистему в пленке сверхпроводника, а фононы остаются в равновесии и служат для электронов термостатом. Как отмечалось, времена электронфононной релаксации в пленках ВТСП исключительно короткие: для гелиевых температур порядка 20 нс, для азотных – порядка 1 нс. Такие болометры будут обладать пикосекундным быстродействием и сравнительно высокой чувствительностью.

Контрольные вопросы

1. Опишите работу СВЧ болометра.

2. Какие существуют конструкции ВТСП болометров? Каковы их особенности?

3. Каковы основные характеристики болометра?