Реферат: История развития криоэлектроники

Вопрос о минимально возможной температуре впервые привлек внимание исследователей еще около ста лет назад. Ныне охлаждение до низких температур широко используется на практике вразличного рода устройствах и системах, особенно в радиоэлектронной аппаратуре. Это стало возможным благодаря успешному решению проблемы сжижения газов.

Хотя многие газы сжижаются сравнительно легко, первоначально считалось, что некоторые газообразные вещества при любых условиях сохраняют свое состояние неизменным. Однако во второй половине XIX в. ученые добились определенных успехов в исследовании проблемы перехода веществ из газообразного состояния в жидкое. В частности, было установлено. что каждый газ характеризуется некоторой критической температурой, выше которой его невозможно сжижать только путем повышения давления. В 1898 г. впервые был получен жидкий газ (водород), а в 1908 г. голландский физик Камерлинг-Оннес осуществил сжижение гелия, завершив тем самым первый этап работ по сжижению газов.

В последующие десятилетия началось быстрое развитие методов использования новых криогенныхжидкостей-сжиженных газов в фундаментальных научных исследованиях в промышленности. От лабораторных экспериментов, которые, кстати, привели к открытию явления сверхпроводимости, перешли к производству сжиженных газов в промышленных масштабах. Их стали выпускать тоннами из смесей газов, например воздуха (разделяя его на состовляющие,—кислород, азот и инертные газы).

Чисто научный интерес и потребности промышленности стимулировали исследования физических свойств материалов при глубоком охлаждении. Такого рода исследования оказались особенно важными для радиоэлектроники, где в 40—50-х годах появилось много новых материалов, в частности полупроводников. Десятилетием позже интерес специалистов по радиоэлектронике к использованию криогенных жидкостей еще более возрос. С их помощью удалось улучшить параметры (в частности, повысить чувствительность) обычных радиотехнических схем и создать принципиально новые радиоэлектронные устройства, например мазер.

Наиболее распространенные охлаждающие агенты (криогены) при нормальном атмосферном давлении имеют следующие температуры кипения: He – 4K; H-20К; N—77 К; О—90 К; CO₂ – 195K (симблирует)[3] .

Четкого и однозначного определения интервала криогенных (низких) температур нет, но чаще всего его ограничивают областью, простирающейся примерно от 100 К до абсолютного пуля (0 К). Иногда особо выделяется интервал 20 – 0 K, называемый интервалом гиперкриогенных (сверхнизких) температур. Большинство криогенных систем, используемых в радиоэлектронике, работает при нормальной температуре кипения жидкого гелия, то есть приблизительно при 4 К.

Одной из важненейших проблем современной электроники считается проблема уменьшения степени неупорядоченности структуры вещества. Для этой цели применяется глубокое охлаждение.

Материалы, применяемые в электронике, обычно оценивают с точки зрения упорядоченности их химической (чистоты) и геометрической (кристаллической) структуры, а также упорядоченности движения частиц вещества (температуры). Любые факторы, вызывающие отклонения в движении носителей заряда между двумя точками, уменьшают эффективную силу тока. Всякого рода неупорядоченность структуры способствует таким отклонениям, увеличивая тем самым электрическое сопротивление материала. В сложных электронных системах требуется, чтобы электрический сигнал заданной формы проходил через материал без искажения. Однако неупорядоченность структуры материала приводит к уменьшению амплитуды сигнала и изменению его формы, так как ее влияние носит случайный характер. Например, плавное синусоидальное колебание становится искаженным, неровным, и в системе возникают нежелательные сигналы (помехи).

Посмотрим, как различные типы неупорядоченности структуры проводника влияют на его удельное сопротивление.

Нарушения химической структуры, обусловленного присутствием даже незначительного количества примеси, достаточно, чтобы заметно увеличить удельное сопротивление металлического проводника. Так, добавление к меди 0,1% фосфора приводит к уменьшению ее проводимости примерно на 50%, тогда как введение 1% кадмия (для получения сплава большей механической прочности) уменьшает его проводимость лишь немногим более чем на 10%.

В химически чистом материале геометрический порядок его внутренней структуры может быть нарушен за счет остаточных напряжений (деформаций), возникших при механической обработке. Поэтому после холодной протяжки удельное сопротивление меди обычно возрастает на несколько процентов. Подобные нарушения физической упорядоченности, обусловленные остаточными напряжениями, можно устранить или по крайней мере уменьшить путем отжига материала. Влияние различных типов геометрической упорядоченности особенно заметно в несимметричных кристаллах, например в цинке, где различие в удельном сопротивлении для двух взаимно перпендикулярных направлений в кристаллической решетке достигает 4%.

Взаимосвязь химической и геометрической упорядоченности мы можем наблюдать в экспериментах но получению сплавов меди с золотом. При увеличении концентрации золота удельное сопротивление случайной смеси возрастает. Но если случайную смесь. содержащую около 25% золота, отжигать в течение продолжительного времени, то обнаруживается тенденция к перегруппировке атомов в упорядоченную структуру сплава Cu₃ Au. Удельное сопротивление резко падает, хотя и остается выше, чем у чистой меди

Говоря о криоэлектронике, основное внимание следует уделить кинетической упорядоченности (упорядоченности движения) частиц, так как понижение температуры обычно позволяет свести эту неупорядоченность к минимуму. В проводнике кинетический беспорядок связан со случайным движением свободных электронов, а в любом твердом теле он обусловлен тепловыми колебаниями атомов в кристаллической решетке. При низких температурах оба типа неупорядоченности значительно уменьшаются.

В некотором отношении тепловое колебание атомов в твердом теле можно рассматривать как своеобразное нарушение геометрического порядка, поскольку в результате таких колебаний нарушается регулярный шаг кристаллической решетки. Как показал де Бройль, движению каждого атома кристаллической решетки можно приписать определенные волновые свойства. Таким образом, в любом твердом теле существуют упругие волны, распространяющиеся со скоростью звука. Эти волны представляют собой как бы локализованные, сосредоточенные пакеты (кванты) тепловой энергии, подобно тому как фотоны являются локализованными пакетами электромагнитной энергии. Кванты тепловой энергии называются фононами; как и фотон, каждый фонон характеризуется энергией hf (где f—частота, соответствующая длине волны фонона) и количеством движения (импульсом). В определенных случаях фонон удобно рассматривать как частицу.

Таким образом, можно считать, что твердое тело содержит хаотично, беспорядочно перемещающиеся фононы различных энергий, которые соударяются с подвижными носителями заряда, создающими в материале электрический ток. При понижении температуры число таких фононов в материале уменьшается и поэтому его удельное сопротивление падает. Фононы играют в веществе определенную положительную роль: в процессе рекомбинации электронно-дырочной пары они обеспечивают сохранение количества движения, благодаря чему становится возможным процесс рекомбинационной люминесценции.

Полупроводники, используемые в электронике, обычно имеют очень высокую степень химической (а часто также и геометрической) упорядоченности. Низкая температура позволяет значительно уменьшить в них нежелательный собственный ток, но для ионизации атомов и, следовательно, образования свободных носителей, как правило, необходимо определенное количество тепловой энергии. Точно так же, чтобы свести к минимуму шумы электронной лампы (то есть обеспечить беспрепятственное движение электронов от катода к аноду), необходимо обеспечить надлежащую геометрию проводников в ее управляющих сетках. Но в то же время общеизвестно, что для нормальной работы лампы катод должен быть разогрет до высокой температуры, а потому ток эмиссии характеризуется высокой степенью кинетической неупорядоченности, которая и обусловливает шумы.

Однако наиболее интересные и потенциально важные особенности радиоэлектроники низких температур сводятся к исключительным, тонким ситуациям, которые возникают только тогда, когда неупорядоченность обычных типов сведена к минимуму.

В сверхпроводниках между парами электронов существует особый вид упорядоченности, благодаря этому сопротивление материала становится равным нулю и внутри него не возникает магнитного поля. Но если температура материала достаточно высока, фононы разрушают эти упорядоченные пары электронов и сверхпроводящее состояние исчезает. Аналогичным образом упорядоченное состояние нарушается и материал возвращается в нормальное состояние и тогда, когда плотность тока или напряженность внешнего магнитного поля превысит критическое значение.

В мазере особая форма упорядоченности проявляется в том, что на более высоком из двух энергетических уровней находится значительно больше атомов, чем на более низком. Однако эта неустойчивая форма равновесия быстро нарушается из-за тепловой неупорядоченности, после чего вновь восстанавливается нормальное равновесное состояние, при котором преобладают атомы с низкими энергиями. Требуемое состояние неустойчивого равновесия можно обеспечить лишь путем подачи в систему энергии извне, причём количество этой энергии тем меньше, чем ниже температура.

Принципы, на которых основываются сверхпроводящие и лазерные системы, известны более полувека, но только в последние десятилетия они получили широкое техническое развитие. Мазер использовался в современных системах радиосвязи, был достигнут значительный прогресс в области применения сверхпроводников в различных радиоэлектронных системах и устройствах: больших электронно-вычислительных машинах, крупных электродвигателях и генераторах, электромагнитах, трансформаторах и линиях передач электроэнергии. Открытия , вроде эффекта Джозефсона[4] , также нашли своё применение в области очень низких температур, где беспорядочные тепловые возмущения настолько малы, что становится возможным наблюдать и использовать весьма тонкие, едва уловимые явления.

В последние десятилетия все шире развертывались работы по созданию новых электронных приборов и сложных систем, основанных на свойствах твердого тела при криогенных температурах. Этому способствуют не только успехи в физике низких температур и технике глубокого охлаждения, но и появление новых проблем, которые не решаются другими методами. Криоэлектроника охватывает широкий круг вопросов: от взаимодействия электромагнитных волн с твердым телом при сильном ослаблении тепловых колебаний решетки до методов охлаждения и конструирования криоэлектронных автономных приборов с корпусом-криостатом.

Часть 2

Основные направления криоэлектроники

Каждое новое направление в науке и технике имеет свою историю развития. Есть своя история и у криоэлектроники, которая с первых же шагов открыла пути создания принципиально новых приборов. Явления физики твердого тела при низких температурах, дающих доступ к глубинным квантовым свойствам вещества в конденсированном состоянии, совместно с явлениями физики низких температур, выделившейся в самостоятельную науку, составили научную базу криоэлектроники. Хотя слово «криос» означает просто «холод», криогенными принято считать лишь те температуры, при которых тепловые колебания решетки вещества сильно ослабляются и в веществах начинают проявляться дальний порядок и эффекты, замаскированные тепловым движением частиц при обычных температурах. Это и приводит, в конечном счете, к тем удивительным особенностям сверхпроводников, в которых квантовые эффекты проявляются в макроскопических масштабах, а также к целому ряду качественно новых явлений и эффектов в других материалах. Область криогенных температур, при которых четыре газа (азот, неон, водород и гелий) превращаются в криогенные жидкости, можно условно разделить на четыре температурные зоны: азотную (80 К), неоновую (27 К), водородную (20 К) и гелиевую (~ 4,2 К) Температуры много ниже точки кипения жидкого гелия выделялись в отдельную область «сверхнизких» температур, причем многие эффекты в твердом теле являются характерными только для этой, пока еще экзотической области.

Если попытаться свести в одну таблицу некоторые свойства диэлектриков, полупроводников, полуметаллов, бесщелевых и узкозонных полупроводников, нормальных металлов и сверхпроводников, которые наблюдаются при криогенных температурах, то эта условная таблица имеет следующий вид[5] . В таблицу включены в основном свойства, на основе которых начато или ожидается создание принципиально новых криоэлектронных приборов. Весьма внушительным будет перечень новых открытий и эффектов при криогенных температурах, на основе которых еще не создан ни один прибор, но их реализация в электронике может дать много полезного и неожиданного.

Конечно, порой трудно провести четкую границу между низкотемпературными и высокотемпературными явлениями в отдельных материалах, поэтому в таких случаях в табл. №1 подразумеваются те материалы, которые без охлаждения практически неприменимы (полуметаллы, узкозонные полупроводники и др.). Принцип построения табл. № 1 подсказывает принципы деления криоэлектроники на направления в соответствии с типом применяемого материала: например, сверхпроводниковая криоэлектронника на основе сверхпроводников, полупроводниковая криоэлектроника на основе охлажденных полупроводников и полуметаллов и т. д. Так это произошло со сверхпроводниковыми приборами, как бы обособившимися от приборов на базе других материалов в силу фундаментальности явления сверхпроводимости. Однако возможен и другой принцип, пробивающий себе дорогу: по выполняемым криоэлектронными приборами функциям, по диапазонам частот, по технологическим методам, положенным в основу изготовления прибора.

Все криоэлектронные приборы в зависимости от температуры охлаждения, применяемых материалов и явлений в них могут быть разделены на изделия (приборы) азотного, неонового, водородного и гелиевого уровней охлаждения. Уровень охлаждения во многом определяет параметры и области применения криоэлектронных изделий.

Еще в 40-х годах были предприняты попытки создать высокочувствительные, «нешумящие» приемники для индикации слабого теплового излучения в ИК диапазоне.

Так, появились угольный болометр, охлаждаемый до температуры жидкого гелия, болометр на основе p-Ge, легированного гелием, работающий при 2,15 К, а затем сверхпроводящий приемный элемент на основе тонкой фольги из нитрида ниобия.