[5] Сверхпроводники (987503), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

При использовании новых оксидных сверхпроводников ожидают­ся намного более высокие выходные напряжения, приближающиеся, возможно, к 15-30 мВ, поскольку напряжение, соответствующее ши­рине щели (или удвоенной ширине щели), находится в этом диапа­зоне. До тех пор пока не станет возможным снижение пороговых напряжений полупроводников до 30 мВ, нельзя ожидать, что сверхпроводящие каналы будут широко применяться в ПТ для цифро­вых устройств. В зависимости от шумовых характеристик сверхпроводящие ПТ потенциально могут использоваться в аналоговых схе­мах. Один из важных аспектов применения сверхпроводящих ПТ -получение очень низкого контактного сопротивления между истоком (или стоком) и каналом. Очевидно, что плохой контакт будет по­давлять наведение сверхпроводимости в канале через эффект бли­зости. При достижении низкого или нулевого контактного сопро­тивления характеристики ПТ будут значительно улучшены даже без наличия сверхпроводящего канала.

В течение ряда лет рассматривались полевые приборы, в ко­торых электрическое поле действует непосредственно на сверх­проводник. Этот эффект может иметь значительную вели­чину только в тех случаях, когда плотность носителей в сверхпроводящем полупроводнике очень мала (например, для SrTiO₃ у которого n=10¹⁸ см^-3 и Тс ≤ 1 К). По оценкам, плотность носителей в новых оксидных сверхпроводниках по меньшей мере на три порядка превышает соответствующий параметр для наиболее обедненных носителями сверхпроводящих полупроводников.

Низковольтные транзисторы на горячих электронах

Наиболее хорошо транзисторы на горячих электронах, обладающие значительным коэффициентом усиления, себя проявили при низких температурах и, вероятно, окажутся пригодными для работы при азотных температурах. Если удастся сделать базу металлической и сверхпроводящей, то устройство сможет работать в небаллистическом режиме. В этом случае большое время рекомбинации в сверхпроводящей базе и короткое время туннелирования из сверх­проводника обеспечат возможность усиления. Обстоятельством, ограничивающим такой режим работы, является необходимость специфиче­ского низкобарьерного контакта между базой и коллектором.

Устройства, основанные на неравновесной сверхпроводимости

На основе неравновесной сверхпроводимости предложено не­сколько типов трехполюсников, однако у большинства из них отсут­ствовало важнейшее свойство - развязка с другими элементами цепи (отсутствие взаимного влияния), - характеризующее истинные транзисторы. В общем случае характерные времена неравновесных про­цессов становятся существенно короче при более высоких темпе­ратурах. Это обстоятельство может быть полезным, хотя связь электронной системы с решеткой и с другими системами, имеющими очень большую теплоемкость при высокой температуре, делается гораздо сильнее. Это может означать, что возможны лишь эффекты, связанные с нагревом. Для устройств, основанных на резистивности сверхпроводящих материалов в нормальном состоянии, высокое сопротивление оксидных сверхпроводников может оказаться полезным. Несколько пониженная плотность носителей позволяет легче выво­дить эти сверхпроводники из состояния равновесия.

5.5.7 Сверхпроводящие приборы

Электронные приборы, использующие сверхпроводимость, можно разделить на два больших класса в соответствии с тем, основаны они на аффекте Джозефсона или нет. В первую группу входят чув­ствительные СКВИД-магнитометры, эталоны напряжения и быстро­действующие коммутаторы. Смесители на структурах сверхпровод­ник-изолятор- сверхпроводник и болометры - наиболее извест­ные из устройств второй группы, т.е. устройств, не использующих эффектов Джозефсона. Джозефсоновские приборы скоро появятся на рынке, и, по-видимому, это первое промышленное использование высокотемпературной сверхпроводимости, если не считать приме­нения сверхпроводников для целей экранирования. Мы ограничимся обсуждением приборов, основанных на эффекте Джозефсона.

Сверхпроводящие квантовые интерферометры

Сверхпроводящие квантовые интерферометры преобразуют маг­нитный поток б напряжение и является самыми чувствительными из­мерителями магнитного потока. Поскольку током можно создавать магнитный поток, а с помощью напряжения можно управлять током, СКВИД можно использовать как чувствительный измеритель и тока, и напряжения. Кроме того, СКВИД может производить измерения на очень малых сопротивлениях. В благоприятных случаях при низ­ких температурах и очень малых входных (индуктивных) импедансах в белом шуме СКВИД могут преобладать квантовомеханические нуле­вые флуктуации. Обычно же в СКВИД общего назначения белый шум обусловлен тепловыми флуктуациями. Таким образом, СКВИД, ра­ботающий при 77 К, будет иметь чувствительность, ограниченную тепловыми шумами, примерно в 20 раз худшую, чем приборы, рабо­тающие при гелиевых температурах. Отсюда следует, что СКВИД, используемые для чувствительных измерений, должны работать при низкой температуре, и новые сверхпроводники здесь не дают ника­ких преимуществ. В круг таких исследований входит нейромагнитное картирование - перспективное направление, активно развиваемое в настоящее время.

Во многих случаях (например, когда велики посторонние поме­хи) максимальная чувствительность имеющихся в продаже СКВИД не используется, поэтому было бы полезно применение более простых приборов. Чувствительность по мощности лучших промышленных об­разцов СКВИД на постоянном токе в настоящее время составляет 4000ħ. Магнитометр с прерываемым потоком - наиболее близкий по чувствительности конкурирующий прибор - имеет чувствительность по мощности 10⁴ - 10⁵ ħ. Сложные СКВИД (с несколькими джоэеф-соновскими мостиками), подобные изготавливаемым фирмой IBM, имеют чувствительность 100 – l000 ħ. Если эти устройства изго­товить из новых сверхпроводников и считать, что чувствитель­ность определяется температурой, т.е. изменится в 77 К/4,2 К = 18 раз, то диапазон чувствительности таких СКВИД составит от 4800 до -18 000 ħ. Таким образом, по крайней мере теоретически, возможен СКВИД, работающий при 77 К и не уступающий по своим ха­рактеристикам имеющимся в настоящее время в продаже приборам. Важнейшее неявное предположение, сделанное в проведенных оценках, это предположение о том, что емкость мостика высокотемператур­ного СКВИД не превышает 0,1 пФ - величину, обычную для совре­менной джозефсоновской технологии.

Для некоторых научных исследований важно, чтобы СКВИД могли работать в широком диапазоне температур, в частности это от­носится к СКВИД на постоянном токе, разработанным фирмой IBM. Например, измерители магнитной восприимчивости очень малых по размеру образцов устроены таким образом, что образец, должен на­ходиться в непосредственном контакте со СКВИД и в ходе экспе­римента его необходимо отогревать и охлаждать. Высоко­температурные сверхпроводники могли бы расширить температурной диапазон исследований примерно в 10 раз.

Уже продемонстрировано несколько простых квантовых интерфе­рометров, работающих при азотной температуре. Кох и др. успеш­но использовали при 68 К пленочный однослойный СКВИД на постоян­ном токе с длинным зернистыми джозефсоновскими мостиками. Игучи и др. и Циммерман и др. работали соответственно со СКВИД на постоянном токе и с высокочастотным СКВИД, изготовленными из объемной керамики, слабым контактом в петле которых служило либо сломанное место, либо точечный контакт. СКВИД Циммермана и др. успешно работах в режиме постоянного магнитного потока (режим с обратной связью) при 77 К. Что касается технологии изготов­ления высокотемпературных тонкопленочных СКВИД, то здесь важны­ми, но требующими своего решения вопросами является следующие: процесс нанесения рисунка при изготовлении сложных многоуровне­вых интегральных схем, изменение с температурой свойств джозефсоновских мостиков (если это узкий мостик или короткий нормаль­ный участок, но не туннельный переход), влияние шунтирующего им­педанса (емкостного или индуктивного) и критическая плотность тока, которую может обеспечить пленка. Если СКВИД используется при одной фиксированной температуре, например при 77 К, то температурная зависимость свойств всех элементов джозефсоновской цепи (за исключением мостика) не будет вызывать больших затруд­нений. Требования к критической плотности тока возрастают вслед­ствие увеличения тока, связанного с применением понижающего трансформатора на входе СКВИД. Большие токи могут возникать, если прибор используется как магнитометр. В некоторых случаях при использовании его в качестве градиентометра токи могут под­держиваться на низком уровне.

Быстродействующая джозефсоновская электроника

По джозефсоновской технологии изготовлены быстродействующие коммутирующие электронные устройства. В наиболее быстродействующих из них обеспечивались время нарастания импульса, измеренное непосредственно на чипе, 2,1 пс и полуширина 3,7 пс. Предполагается, что временное разрешение должно составить несколько пикосекунд, что почти на порядок величины превосходит разрешение стробирующих осциллографов. Джозефсоновские коммутаторы имеют чувствительность на один-два порядка выше чувствительности обычных коммутаторов (0,1 мВ), хотя и уступают им по динамическому диапазону. В этой области не существует полупроводниковых приборов со срав­нивнимыми характеристиками, хотя в принципе возможны электрооптиче­ские приборы, которые смогут иметь такое же или даже лучшее вре­менное разрешение.

Теоретический предел временного разрешения коммутатора опре­деляется отношением плотности тока к емкости джозефсоновского контакта в задающем импульсном генераторе. Для обычных сверхпро­водников пикосекундное разрешение при гелиевых температурах достигается при плотности тока на мостике порядка 10⁴ - 10⁵ А/см². Наибольшее из этих чисел, как в настоящее время установлено, есть предельная величина для объемного YbaCuO при 77 К, поэтому достичь такой плотности на джозефсоновском контакте - самая трудная задача.

Если технологические проблемы изготовления джозефсоновских контактов, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к работе быстродействующих устройств, будут решены, то возможность рабо­ты при 77 К существенно уменьшит расхода, связанные с изготов­лением прибора, и стоимость его эксплуатации. При 77 К несколько понизится чувствительность, но особых трудностей это не создаст. Привлекательность применения коммутаторных цепей состоит в том, что они представляют собой счетчики с несколькими вентилями, и вертикальная структура монтажа может быть сделана относительно простой.

Эталоны напряжения

В большинстве стран стандарты напряжения основаны на джозефсоновском соотношении между переменным током через переход и постоянным напряжением на нем. До недавнего времени это напря­жение было относительно низким, на уровне нескольких милливольт, но успешное создание интерферометров с несколькими последова­тельными группами переходов в одном блоке и решение проблемы одновременного подвода одинаковой микроволновой мощности к ним подняли величину напряжения джозефсоновских эталонов до 1 В. Это позволило начать изготовление относительно простых выпуска­емых промышленностью эталонов напряжения с точностью несколько единиц 10 .

Поскольку из новых сверхпроводников можно изготавливать туннельные перехода среднего качества, эталоны напряжения милливольтового диапазона, работающие при температуре жидкого азо­та, можно выпускать уже сейчас. В дальнейшем, когда будет на­лажено изготовление идентичных групп джозефсоновских переходов, можно будет производить и эталоны напряжения вольтового диапазо­на, работающие при азотных температурах. Возможно, это будет одним ив первых применений новых высокотемпературных сверхпровод­ников.

Характеристики

Список файлов учебной работы