И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Техника оптоэлектронных приборов весьма перспективна и вепрерывно развивается. КРИОЭЛЕКТРОНИКА, ХЕМОТРОНИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 198 14.1. КРИОЭЛЕКТРОНИКА Криогеииая электроника, илн, короче, криаэлекттроиика, — область науки и техз ники, которая занимается вопросами применения электронных явлений, происходяших в различных веществах при низких температурах. Развитие криоэлектроники связано главным образом с тем, что при температурах ниже определенной (критической) в некоторых веществах наблюдается явление сверхпроводимости, т. е, их электрическое сопротивление практически становится равным нулю.
Сверхпроводимость открыл в 191! г. голландский физик Х. Камер- линг-Оннес, а теоретическое объяснение этому явлению на основе квантовой физики дали впервые лишь в 1957 г. американские ученые Д. Бардин, Л. Купер и Д. Шриффер и независимо от них в СССР академик Н. Н. Боголюбов. Переход от конечного, значения сопротивления к сверхпроводимости происходит скачком при так называемой критической температуре. Но состояние сверхпроводимости исчезает при действии на сверх проводник магнитного поля определенной напряженности или если сила тока в сверхпроводнике превысит некоторое максимальное значение.
Простейший, исторически первый криогенный переключающий прибор, названный криотроиом, представляет собой сверхпроводник 1 (рис. 14.1), который можно переводить из состояния с нулевым сопротивлением в состояние с конечным сопротивлением, воздействуя магнитным полем. Поле создается током, протекающим в другом, управляю- ' Греческое слово кгуоз означает амороз, холод». ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ шем сверхпроводнике 2, который делается из металла с несколько более высокой критической температурой, нежели у управляемого провода !.
Более совершенным является пленочный криотрои (рис. 14.2), у которого перпендикулярно друг другу расположены управляемая (!) и управляющая (2) пленки, разделенные слоем диэлектрика 3. Толщина пленок около микрометра, а ширина может быть несколько миллиметров. Управляюшая пленка делается более узкой. Обе пленки находятся в сверхпроводящем состоянии, но если пропустить через управляющую пленку ток, не меньший йекоторого критического значения, то магнитное поле этого тока нарушит сверхпроводимость управляемой пленки на участке пересечения пленок и тогда сопротивление управляемой пленки станет больше нуля. Возможны и другие конфигурации криотронов.
Основное применение криотронов как переключающих элементов — в быстродействующих ЭВМ. Два резко различных состояния управляемого проводника соответствуют знакам О и 1. Время переключения (перехода криотрона из одного состояния в другое) составляет малые доли микросекунды. Поэтому быстродействие ЭВМ на криотронах весьма высокое. Важно также, что на управление криотроном расходуется очень малая мощность.
Пленочные криотроны могут быть сделаны очень малого размера, и тогда на площади в 2 см размещаются тысячи криотронов. Именно пленочные криотроны возможно применять в микроэлектронных устройствах. Рис. 14.1.,Проволочный криотрон Рис. 14.2. Пленочный криотрон Большой интерес представляет получение в замкнутом сверхпроводящем контуре постоянного тока, который может длительное время протекать без источника ЭДС. Такой ток можно, например, возбудить методом электромагнитной индукции в металлическом кольце, находящемся в сверхпроводящем состоянии.
Вследствие того что сопротивление сверхпроводящего кольца, а также потери на нагрев равны нулю, ток в кольце существует много часов и даже дней практически без ослабления. На использовании этого явления основана работа запоминающих устройств, в которых отсутствие тока соответствует нулю, а наличие тока — единице. Можно также для запоминания знаков 0 и 1 использовать в сверхпроводящем замкнутом контуре. токи различных направлений. Особый интерес представляют криогенные приборы, действие которых основано на эффекте, открытом в 1962 г.
английским ученым Б. Джозефсоном. Сущность эффекта Джозефсона в следующем. Если два сверхпроводника разделены очень тонким (менее одного нано- метра) слоем диэлектрика, то через этот слой может протекать постоянный ток, хотя падение напряжения на этом участке будет равно нулю. В этом случае через тонкий слой диэлектрика протекает своеобразный туннельный ток. Под действием магнитного поля с определенной напряженностью нли если ток превысит некоторое предельное значение, эффект Джозефсона исчезает, т. е. ток вообще прекращается. Таким образом, на эффекте Джозефсона могут работать криогенные переключательные элементы.
Время переключения джозефсоновских элементов исчезающе мало (до 10 " с), а расход энергии на переключение составляет всего лишь 10 'е Дж. Поэтому на джозефсоновских элементах мокнут быть построены сверхбыстродействующие ЭВМ с очень малым потреблением мощности. В подобных ЭВМ число арифметических операций достигает нескольких миллиардов в секунду. Предел быстродействия практически не зависит от процессов, связанных с явлением сверхпроводимости, а определяется наличием паразитных индуктивностей и емкостей, которые неизбежно создают некоторую инерционность процесса переключения.
Следует отметить, что сверхнизкие температуры используются также в различных радиоэлектронных устройствах с целью снижения потерь в них. Созданы, например, колебательные системы (резонаторы) со сверхвысокой добротностью, доходящей до сотен тысяч и даже миллионов, коакснальные кабели с ничтожно малым затуханием, резонансные фильтры со сверхвысокой избирательностью.
Весьма важно и то, что при низких температурах снижается уровень собственных шумов. Это способствует повышению чувствительности радиоприемных устройств и позволяет принимать весьма слабые сигналы, например от космических объектов. При обычных температурах прием таких сигналов крайне затруднен, так как они значительно слабее собственных шумов входной части радноприемного устройства. Нельзя не упомянуть о применении сверхпроводимости в электроэнергетике. В СССР уже созданы для электростанций мощные электрические генераторы со сверхпроводящими обмотками, в которых отсутствуют потери мощности. Колоссальный экономический эффект могут дать сверхпроводящие линии электропередачи.
Основной недостаток всех криогенных устройств — это необходимость создания для их работы сверхнизких температур. До последнего времени для этой цели использовался жидкий гелий, у которого температура перехода из газообразного состояния в жидкое составляет 4,2 К. Холодильные установки для поддержания такой низкой темпера- 199 туры сложны, громоздки и доро~и. Это ограничивает практическое применение криогенной аппаратуры. Новые перспективы появились перед криозлектроникой в связи с открытием так называемой высокотемпературной сверхпроводимости.
В 1987 г. было установлено, что некоторые вещества, в частности металлооксидные соединения типа керамики, могут стать сверхпроводниками при значительно более высоких температурах. Это означает, что для таких сверхпроводников вместо дорогостоящего жидкого гелия можно использовать жидкий азот, у которого критическая температура составляет 77 К. Жидкий азот производится в больших количествах и относительно дешев. Поэтому в электронике в дальнейшем будут использоваться компоненты на высокотемпературных сверхпроводниках.
14.2. ХЕМОТРОНИКА Хемотроиика, называемая иногда иоиикой, основана на достижениях электрохимии и электроники. Содержание хемотроники — теория и практика электрохимическнх преобразователей для новых типов управляющих, информационных, вычислительных и измерительных устройств. Первыми электрохимическими приборами были гальванические элементы и аккумуляторы, а затем электролитические конденсаторы, но все они обычно не рассматриваются в хемотронике. В начале развития хемотроники были созданы приборы, являющиеся аналогами лиодов и триодов, но в них подвижными носителями заряда бгнли ионы в жидких электролитах, а не электроны. На основе этих приборов удалось осуществить выпрямленно и усиление.
Поскольку масса ионов во много раз больше, а подвижность во много раз меньше, нежели масса и подвижность электронов, приборы хемотроники весьма инерционны и пригодны только для очень низких частот. Это их свойство представляет собой существенный недостаток.
Но следует иметь в виду, что во многих системах, например в некоторых устройсгвах автоматики, про- 200 цессы протекают сравнительно медленно и в этих случаях инизкочастотность» приборов хемотроники не имеет значения. Вместе с тем по сравнению с электровакуумныыи и полупроводниковыми приборы хегнотроники обладают некоторыми преимуществами. Они многофункциональны, так как в жидкостях могут протекать различные физико-химические процессы.
В этих приборах можно сравнительно легко перестраивать внутреннюю структуру, т. е, осуществлять внутреннее управление. Хемотронные приборы обладают достаточной устойчивостью. Для сравнения следует указать, что твердотельные структуры, обладая высокой устойчивостью, практически непригодны для внутренней перестройки. В газообразных структурах перестройку осуществлять легко, но устойчивость этих структур недостаточна. Жидкосзные системы занимают среднее положение: они устойчивы и пригодны для внутренней перестройки. Так, например, человеческий мозг, близкий к жидкостным структурам, обладает высокой устойчивостью, надежностью, многофункциональностью и способностью к разнообразной перестройке. Есть много различных приборов хемотроники. Теория таких приборов сложна, так как в них протекают весьма сложные физико-химические процессы.
Далее будут рассмотрены наиболее типичные приборы хемотроники. Как правило, онн имеют герметичный корпус, в котором находится электролит и электроды. Материалы некоторых электродов и корпуса не должны вступать в химическое взаимодействие с электролитом. Значительная часть приборов хемотроники — это концентрационные злектрохимические прсобризователи,иначе называемые преобразователями диффузионного типа. Работа этих приборов основана на изменении концентрации активных компонентов электролита. Эти компоненты содержатся в электролите в двух видах: окисленном и восстановленном. Кроме того, в электролите имеется еще и пассивный (индифферентный) компонент, не участвующий в химических реакциях, а лишь увеличивающий проводимость электролита.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
