Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Если внепхняя цепь задает постоянный ток 1 через переход, то при (1!(1, напряжение на нем У=О. Этот участок ВАХ называется ее сверхпроводящей ветвью. Когда ток 1 превышает критическое значение 1„происходит переход в резистивное состояние, в котором среднее значение напряжения отлично от нуля (рис. 3.6). Время переключения на резисгивную ветвь ВАХ хи=ты=)7вС (!16).
Для джозефсоновских переходов с большой емкостью колебания напряжения вокруг среднего значения У малы. Следовательно, в резистивном состоянии согласно (3.10) сверхпроводящнй ток имеет синусоидальную форму,и его среднее значение 1в равно нулю. Поэтому наблюдаемая резистивная ветвь ВАХ таких переходов независимо от их типа представляет собой зависимость тока квазпчастиц от напряжения )в(У). При уменьшении емкое~и пе1О1 700/ Гр 7,0 7,"мЯд/Рд 7,00/рр 700„/00 0 00 р /Р 70 Р/Гр 01 700/00 1,(о) = 1.(О)! ""( "Ф'1, пФ/Фо (3.14) 7,0 70 ля/00 рд 7.0 р/'ту б! Рве. ЗВ.
Эксперпмен. тип»яме я теоретические зкпвсвмостя для ТП (и) и ДТК (б): 1 — тнпиенаа ВАХ перехода СНС при Ьз-Ьн (рчастзк 0<р<ра иаблюллезся тоз ка пря подеалеимя джозеф. сомовского така(1 рассчитан. ние р теорян ВКШ для адеальяого перехода СИС ааен. снмастиз Р— (пз 1 [Рк Р ч Ве( (Юз Š— Ве( (Р(1 З лмиейиая зависямость Р(В ; К вЂ” тнпачиаа ВЕХ л' ДТК( 7 — ВАХ, рассчятаниаа яо резистнвной моделм джозефсоновское плазменное напряжение; о(р — — (2(71,!гзС)17з— джозефсоновская плазменная частота, а 770=1,4...35 (117]. Обычно время обратного скачка тд~тв [116].
Значение (/0 составляет несколько десятых долей )/0, так что 1д<(1„и полная ВАХ имеет гистерезис. Причина уменьшения Гд с ростом С в том, что увеличивающаяся емкость все более эффективно шунтнрует джозефсоновские колебания, инициирующие переброс к )7=0, Отметим, что гистерезис на ВАХ переходов СИС не исчезает полностью дав,е при С- 0 (116]. В отличие от ТП типа СИС в джозефсоновских переходах с непосредственной проводимостью, у которых зависимость 1„()г) близка к линейной, ВАХ при С-ьО становится безгнстерезисной.
В рассматриваемой ниже простой резистивной модели джозефсоновского перехода с нулевой емкостью ВАХ имеет вид (3.25) (см. рис. 3.6,б). В случае, если ТП типа СИС помещен в магнитное поле, вектор напряженности которого Н параллелен плоскости изолирующего зазора между сверхпроводниками, критический джозефгоновский ток зависит от магнитного потока Ф, проникающего в зазор: где Фа=И!2(7 — квант магнитного потока.
Таким образом, джозефсоновский ток и связанный с ним гистерезис в переходах СИС при необходимости могут быть подавлены достаточно сильным магнитным полем. При дальнейшем изложении условимся использовать термин «лжозефсоновский переход» для любых структур, в которых набчюдается эффект Джозефсона; для структур СИС будем употреблять термин «джозефсоновский ТП» в случае, если джозефсоновский ток играет существенную роль„и термин «переход СИС» в случае, когда джозефсоновский ток несуществен и мы рассматриваем эффекты, связанные с квазичастичным туннелировавием.
ТИПЫ СВЕРХПРОВОДЯ(ДИХ ПЕРЕХОДОВ где 702 (3.13) р ходов среднее значение сверхпроводящего тока становится отличным от нуля, поэтому резистивная ветвь ВАХ не совпадает с В ТП типа СИС обратный переброс на сверхпроводящую ветвь ВАХ к напряжению ~'=О происходит при уменьшении тока через ТП до значения 1гь соответствующего напряжению переброса (3. 12) )гз(=7(л)/р, Как квазичастичный, так и джозефсоновский туннельные токи чувствительны к электромагнитному излучению, и их изменение может быть использовано для репистрации сигналов СВЧ, ММ и СММ диапазонов. Воздействие внешнего излучения на туннелиРование квазичастиц впервые наблюдалось в !962 г:, раньше, чем были экспериментально обнаружены эффект Джозефсона и джозефсоновские ступеньки тока на ВАХ, вызванные СВЧ излучением (1963 г.) (115, 116].
Однако гистерезис на ВАХ переходов СИС, связанный с джозефсоновским током, и значительная межзлектродная емкость вызывали сомнения в возможностях практического использования в приемных устройствах квазичастичных 103 ТП. Поэтому интересы исследователей длительное время были сосредоточены на разработке приемников на джозефсоновских переходах с малой емкостью и безгистерезисной ВАХ, главным абра зом джозефсоновских точечных контактах (ДТК). Интерес к квазичастичным ТП возродился во второй половине 70-х годов, когда теоретически была показана возможность получения близкой к квантовому пределу чувствительности приемных устройств, использующих такие структуры, в ММ и примыкающих к нему диапазонах [1181. К этому времени был доспигнут значительный прогресс в тонкопленочной технологии изготовления джозефсоновских ТП малых размеров, в основном для сверхпроводящих логических элементов, а также полупроводниковых ДБШ, послуживших основой для ДСШ.
Основные виды сверхпроводящих переходов, используемые в приемниках ММ волн, схематически показаны на рис. 3.7. Ограничимся здесь нх краткой сравнительной характеристикой, Подробное обсуждение свойств и технологии изготовления сверхпроводящих переходов можно найти в монографиях [115, 1161 и приведенных в и~их ссылках на оригинальные работы. Квазичастичные сверхпроводящие ТП традиционной геометрии типа «сэндвнч» (рис. 3.7ьа) для приемников ММ диапазона обычно изготавливаются по тонкопленочной технологии на тонких узких подложках из плавленого кварца. Такие ТП имеют значительную удельную емкость С(5, поэтому в ММ диапазоне необходимо использовать переходы малой площади 5=0,1.„10 мкм'. (хпс. 3.7.
Сеерхпроводящпе переходы, используемые в нриемных устройствах ЯЯ диапазона: «сэндвич» (о), торцевой переход (б), мосппк переменной толщины (в), точечный контакт (г), дылд супер-Шотам (д): 7 — язолврующая подложна; я. 5 — сверкпронодящяе злскгродм; 4 — тонкий изолятор, обрззующн а ющнй барьер в ТП н Дтк, нлн более толстая просзойка нз нормального металла нлп — П ,лпс полуп роводннкз в оереходзк с непосрелсгвенной проводпмостью; 5 — нзолнр>ющнб б — перемычка нз нормального металла нлн сверзпгюеоаанка; 7 полупроз д ~ к; т ~н;  — коп.
тактнвя игла; р — защитное покрмтнг нз золота 104 Цля их изготовления требуется высококачественная фотолитографическая или электронно-литографическая техника. Наибольшее распространение за рубежом получили «сэндвичи» СИС на основе свинца и его сплавов РЬ вЂ” В), РЬ вЂ” 1п — Ап и РЬ вЂ” В( — 1п, имеющие $7«ж3 мВ [1121.
Почти все рекордные значения параметров приемных устройств ММ диапазона, достигнутые к настоящему времени, относятся к таким ТП. Барьер в переходах СИС на основе свинца создается окислением нижнего электрода. Они относительно просты в изготовчении и выдерживают многократные охлаждения до гелиевой температуры, но портятся при длительном хранении в атмосфере, содержащей кислород и водяной пар. Более перспективными для практического использования представляются ТП, у которых хотя бы нижний электрод изготовлен из твердого тугоплавкого металла (обычно это ниобий или ингрид ниобия Ь)ЬЫ). Такие переходы значительно прочнее свинцовых и лучше выдерживают термоциклы [115, 130]. Так как высокая диэлектрическая проницаемость окислов ниобия приводит к большой удельной емкости переходов, то в качестве барьера можно напылять слой диэлектрика или металла, обычно алюминия, с последующим окислением.
Существенно большая, чем у свинца, критическая температура Ь)Ьг) (16 К) позволяет создавать ТП, имеющие ргх — — 5...6 мВ (ахеей Т,), что важно для повышения рабочих частот приемных устройств и продвижения их в СММ диапазон. Для уменьшения емкости ТП в последние годы стали использовать «торцевые» переходы малой площади (рис. 3.7,б), один из размеров которых определяется легко контролируемой толщиной пленки мижнего электрода (обычно 0,2... 0,5 мкм). Другим конструктивным решением является использование цепочек последовательно соединенных переходов большей площади, однако при этом возникают жесткие ограничения на разброс параметров переходов в цепочке [1121, Квазичастичные переходы СИС и цепочки из них — сейчас наиболее перспективные нелинейные элементы для приемных устройств ММ диапазона.
Однако вблизи верхней границы ММ диапазона оказываются необходимыми специальные меры для подавления джозефсоновского тока и связанного с ним шума на гистерезисном участке ВАХ переходов СИС. Этих трудностей можно избежать, если использовать ТП типа СИН с одним несверхпроводящим электродом (обычно из серебра). Параметры приемных усгройств с переходами СИН оказываются несколько хуже, чем с переходамн СИС вследствие менее резкой нелинейности ВАХ (см.
рис. 3.3,в). Квазичастичными туннельными ВАХ, близкими к ВАХ переходов СИН, обладают также ДСШ (рис. 3.7,д). Однако перспективы использования ДСШ пока не ясны. При увеличении частоты сигнала до 100 ГГц встретились значительные трудности, связанные с ростом сопротивления растекания Й.„ и непонятно, смогут ли ДС конкурировать с переходами СИС н СИН [120, 1211. !05 Среди джозефсоновских переходов, интерес к нспользованинс которых в приемных устройствах ММ и СММ диапазонов в 80-х годах значительно уменьшился, в первую очередь следует отме тить ДТК (рис.
3.7,г). ДТК между острым концом иглы из сверх проводящей проволочки (радиус закругления обычно не более 1 мкм) и сверхпроводящей мишенью имеет сложную структуру состоящую из участков ТП через окисный слей, покрывающий электроды, и микрозакороток в местах прорыва окисла. На ДТК„ в 70-х годах были получены лучшие в то время среди всех типов нелинейных переходов параметры смесителей ММ диапазона [122]. Практическое использование простых в изготовлении, об падающих малой емностью ДТК затрудняется их невысокой механической устойчивостью и недостаточной воспроиэводимостью характеристик. Определенный прогресс наблюдается в последнее время в технологии изготовления тонкопленочных мостиков переменной толщины (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
