Криоэлектроника

КРИОЭЛЕКТРОНИКА (от крио... и электроника) (криогенная электроника), область электроники, связанная с исследованием при криогенных температурах (ниже 120 К) специфических эффектов взаимодействия электромагнитного поля с носителями зарядов в твёрдом теле и с созданием электронных приборов и устройств, работающих на основе этих эффектов.

Применение криогенных температур в электронике в промышленных масштабах началось в 1950-х годах, когда были получены важные практические результаты исследований низкотемпературных явлений в твёрдом теле и достигнуты успехи в области криогенной техники по разработке малогабаритных, экономичных и надёжных систем охлаждения. Существенную роль в развитии криоэлектроники сыграли потребности радиоастрономии и космической связи в радиотелескопах и земных станциях, обладающих высокочувствительными приёмными трактами, с помощью которых можно было бы компенсировать затухания радиоволн при их распространении на большие расстояния. Применение криогенного оборудования позволило снизить собственные тепловые шумы входных цепей радиоэлектронных устройств, предназначенных для работы при малом соотношении сигнал/шум.

Основные направления. Современная криоэлектроника включает: криоэлектронное материаловедение, охватывающее создание материалов для криоэлектроники и исследование их электрофизических свойств; криоэлектронику СВЧ (в том числе интегральную), разрабатывающую криоэлектронные СВЧ-приборы на основе объёмных активных и пассивных элементов, а также криоэлектронные интегральные схемы, сверхпроводниковую криоэлектронику, связанную с созданием криоэлектронных приборов и устройств, работающих на основе физических явлений в сверхпроводниках; интегральную криоэлектронику для вычислительной техники, использующую явления, происходящие в плёночных структурах при криогенных температурах, для создания интегральных схем, элементов памяти большой ёмкости, быстродействующих переключателей и других устройств для ЭВМ; инфракрасной криоэлектроники, решающую задачи создания криоэлектронных блоков и систем, работающих в ИК-диапазоне.

Действие криоэлектронных приборов основано на различных физических явлениях и эффектах, происходящих в сверхпроводниках, полупроводниках, проводниках и диэлектриках при криогенных температурах. Одним из важнейших для криоэлектроники эффектов является сверхпроводимость. Практическое применение сверхпроводимости в криоэлектронике базируется в основном на туннельных явлениях в тонкоплёночных сверхпроводниковых микро и наноструктурах, в частности на Джозефсона эффекте, с которым связано, например, создание анализаторов спектра миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, генераторных, смесительных и детекторных устройств, сверхвысокочувствительных магнитометров, высокодобротных резонаторов, элементов антенно-фидерных устройств. К основным эффектам, лежащим в основе работы приборов криоэлектроники, также относятся: нелинейные объёмные или контактные электрические явления в охлаждённых полупроводниках и нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости некоторых охлаждённых диэлектриков от напряжённости электрического поля.

Полупроводниковые материалы для криоэлектроники подразделяются на широкозонные (Si, Ge, GaAs и др.) и узкозонные (InSb, PbS и др.). Первые получили широкое распространение в криоэлектронных параметрических усилителях, смесительных и детекторных устройствах. На основе узкозонных ПП созданы криогенные магнитодиоды, ИК-приёмники, лазеры, биполярные транзисторы, параметрические и смесительные СВЧ-диоды.

Ряд диэлектриков (например, параэлектрики - титанат стронция SrTiO₃, танталат калия КТаО₃, титанат кадмия CdTiO₃) при криогенных температурах характеризуются ярко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от приложенного напряжения, что обеспечивает возможность создания конденсаторов с электрически управляемой ёмкостью. На основе такого конденсатора создан параэлектрический параметрический усилитель.

Тенденции и перспективы развития. Развитие криоэлектронных приборов в значительной степени определяется проблемой повышения чувствительности измерительных электронных устройств. Один из наиболее перспективных путей в решении этой проблемы - глубокое охлаждение (до 80 К и ниже), позволяющее существенно улучшить технические характеристики обычных электронных приборов (ПП диодов, транзисторов). Кроме того, при глубоком охлаждении в твёрдых телах возникают различные физические эффекты, которые могут быть использованы для создания принципиально новых приборов, как для регистрации слабых сигналов, так и для обработки и хранения информации (например, создания быстродействующих элементов логики и памяти, работающих на эффекте Джозефсона в слабосвязанных сверхпроводниках).

Значительный прогресс в развитии криоэлектроники связан с открытием в конце 1980-х годов высокотемпературной сверхпроводимости - явления, позволившего расширить область рабочих температур сверхпроводниковых электронных устройств вплоть до температуры жидкого азота и существенно увеличить верхнюю частотную границу применения таких устройств - до дальнего ИК-диапазона.

Основой для построения ПП малошумящих криоэлектронных усилителей и смесителей являются охлаждаемые параметрические и смесительные диоды, полевые транзисторы и др. За счёт охлаждения удаётся существенно снизить уровень собственных шумов этих приборов, повысить их предельную рабочую частоту, коэффициент усиления и улучшить другие характеристики. Так, в криоэлектронных полевых транзисторах при их охлаждении до 80 К уровень собственных шумов снижается в 2,5- 4 раза, при охлаждении до 20 К - в 5- 8 раз по сравнению с уровнем шумов при 300 К. Из других транзистороподобных структур, применяемых в криоэлектронных усилителях и смесителях, особенно перспективны транзисторы с повышенной подвижностью носителей заряда в канале, получившие название НЕМТ-транзисторов (от начальных букв слов английского выражения High Elektron Mobility Transistor – транзистор с высокой подвижностью электронов). Такие транзисторы обеспечивают выигрыш по шумам (в 5-8 раз) и коэффициент усиления до 3-5 дБ при уровне охлаждения до 80 К. В криоэлектронных смесительных устройствах СВЧ-диапазона наиболее распространены диодные и транзисторные структуры на основе охлаждаемых контактов металл – ПП с барьером Шоттки. С помощью контактов сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник (СИС-контактов) с туннелированием квазичастиц через слой изолятора в миллиметровом диапазоне длин волн достигнут квантовый предел чувствительности приёмных устройств; шумовая температура смесителей на основе СИС-контактов близка к рабочей температуре контакта (обычно около 2 К). В детекторных и спектральных устройствах милли- и субмиллиметрового диапазонов волн всё шире используются приборы на базе джозефсоновских и СИС-контактов; известны также детекторы, работающие на основе объёмного эффекта разогрева электронного газа излучением (и, как следствие, – изменения подвижности электронов и электрического сопротивления) в образцах InSb с проводимостью n-типа, охлаждаемых до гелиевых температур (≈4,2 К).

Криогенные фильтры СВЧ-диапазона обычно реализуются на основе последовательности объёмных сверхпроводниковых криоэлектронных резонаторов. Характерная особенность таких фильтров – высокие добротность и стабильность параметров, возможность получения узкой полосы пропускания. Линии задержки изготовляют из сверхпроводящих кабелей, а также из сверхпроводящих плёнок определённой формы (например, в виде меандра). Время задержки в таких линиях определяется длиной кабеля (плёнки); в реальных системах оно варьируется в пределах от 1 пс до 1 мкс.

Одними из наиболее перспективных криоэлектронных приборов нового поколения являются сверхпроводящие квантовые интерферометры (смотри СКВИД-магнитометр); на их основе разработаны высокочувствительные измерительные приборы различного назначения: гальванометры, вольтметры, компараторы, магнитометры, термометры и др.

Приборы криоэлектроники находят всё более широкое применение в аппаратуре для радиоастрономических исследований с использованием криорадиометров, а также в измерительной аппаратуре, медицинской диагностической аппаратуре (радиотермометрия, магнитокардиография), системах космической связи, метеорологии, спектроскопии, биологии, системах безопасности и др. Перспективы развития криоэлектроники связаны: с поисками новых материалов, в частности высокотемпературных сверхпроводников; совершенствованием методов создания элементов микронных и субмикронных размеров; развитием нанотехнологии и криогенной техники; интеграцией большого числа элементов в одном криостатируемом корпусе; разработкой новых технологических методов с целью сочетания в одном электронном функциональном модуле свойств криоэлектронного прибора и микроохладителя; созданием многофункциональных устройств в гибридно-интегральном исполнении с резким уменьшением габаритных размеров и улучшением технико-экономических характеристик криогенных систем; комплексной микроминиатюризацией охлаждаемых многофункциональных узлов аппаратуры с одновременным улучшением её электрических параметров.

Лит.: Лихарев К. К., Ульрих Б. Т. Системы с джозефсоновскими контактами. М., 1978; Алфеев В. Н. Полупроводники, сверхпроводники и параэлектрики в криоэлектронике. М., 1979; Интегральные схемы и микроэлектронные устройства на сверхпроводниках. М., 1985; Likharev К. К. Dynamics of Josephson junctions and circuits. N. Y., 1986; Applications of superconductivity / Ed. Н. Weinstock. Dordrecht; L., 2000.