Криоэлектроника - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
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.
|
