[5] Сверхпроводники (987503), страница 9

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

Текст из файла (страница 9)

В случае если потери в СЛЭП из YBаCuO на переменном токе окажутся значительными, затраты на охлаждение будут быстрее расти с "емкостью". Положение пересечений кривых приведенных стоимостей будет тогда намного более чувствительным к конкретным ценам, и для более значимых оценок потребуются более надежные данные о проводниках из YbaCuO. Эти данные позволили бы провести анализ конкретных реальных систем.

Таким образом, использование YbaCuO при 77 К, воз­можно, понизило бы "емкость", при которой СЛЭП становятся пред­почтительнее традиционных ЛЭП. В то время как замена воздушных линий на переменном токе вряд ли оправданна из-за относительно низких капитальных затрат на них, замена подземных линий (за­полненных сжатым газом SF₆) могла бы оказаться желательной. Следует иметь в виду, что общая "емкость" ЛЭП в США растет лишь на несколько процентов в год, и поэтому возможности для строи­тельства новых мощных ЛЭП весьма ограниченны. Решение вопроса о замене существующих линий требует более строгого экономического анализа: выгода должна быть достаточной, чтобы обеспечить быструю окупаемость вложений.

5.5.3 Соединения в ЭВМ

Еще одним возможным применением высокотемпературных сверх­проводников является их использование в ЭВМ для соединения полу­проводниковых элементов. Такие системы следует называть гибридными, поскольку в них используются как сверхпроводники, так и полупроводники. В частности, хорошо известно, что КМОП (комплементарные транзисторы со структурой металл-окисел-полу­проводник)-транзисторы широко используются при 77 К и, следова­тельно, совместимы с YBaCuO. Конкурентом YBаCuO яв­ляется медь, удельное сопротивление которой составляет 0,24 мкОм х см при 77 К и 1,7 мкОм х см при 300 К. На практике при комнатной температуре используются сплавы меди с еще большим удельным сопротивлением - это делается для уменьшения блуждающих токов, которые практически исчезают при более низких температурах. Таким образом, использование меди при 77 К позволяет уменьшить сопротивление более чем в 6 раз.

Относительно короткие соединения, представляющие интерес для монтажа микросхем, описываются теорией цепей с сосредоточен­ными параметрами, е их работа характеризуется постоянной времени RС. при расчете общего сопротивления R следует учитывать не только сопротивление линии, но и эффективные выходное импеданс КМОП-транзистора. Последний фактор заметно снижает эффективность применения сверхпроводника.

Для оценки выходного импеданса типичного КМОП-транзистора можно воспользоваться данными по кольцевому генератору (с коэф­фициентами объединения по входу и разветвления по выходу, равными трем), реализованному на логических схемах типа И-HE. Канал этого устройства имеет длину 0,5 мкм и ширину 9 мкм. При напря­жении источника 2,5 В и емкости загрузки С = 0,2 пФ задержка на каскад составляет 450 пс, что соответствует эффективному выходному импедансу 2250 Ом. Эта величина приведена лишь в ка­честве примера, поскольку характеристики устройства сильно не­линейна и выходной импеданс может меняться с нагрузкой.

Сверхпроводник предпочтительнее меди при 77 К лишь в том случае, когда сопротивление медных проводников сравнимо с выход­ным импедансом. Но проводник сечением 0,5 х 0,5 мкм² и длиной 5 мм имеет сопротивление 400 Ом. В сравнении с 2250 Ом это дает лишь 20%-ный вклад в постоянную времени RС. При большей ширине канала выходной импеданс уменьшается, и таким образом быстродей­ствие увеличивается, что делает использование сверхпроводников более предпочтительным, однако при этом уменьшается плотность упаковки схем.

Другая проблема связана с плотностью тока. При типичной величине тока стока в несколько микроампер плотность тока в проводнике сечением 0,5 х 0,5 мкм² превышает -10⁶ А/см² - величину, приближающуюся к предельному значению для YbaCuO при 77 К. Для проводников большего сеченая, такого, как 2,5 х 1 мкм², плотность тока уменьшается до 10⁵ А/см2, но выигрыш от применения сверхпроводника падает с 20 до 2% в соответствии с приведенными выше численными данными.

Таким образом, если сверхпроводящие соединяющие провода окажутся столь же просты в изготовлении и надежны, как медные, они, несомненно, найдут применение в ЭВМ, использующих полупроводниковые приборы, работящие при 77 К. Однако приведенные выше ориентировочные оценки показывают, что при работе с обычными КМОП-транзисторами будет довольно трудно добиться преимуществ, которые компенсировали бы возможные технологические трудности. Ясно, что потребуется разработать элементы другой структура, более низкий выходной импеданс которых сделает применение сверхпроводников выгодным. Сверхпроводники могли бы оказаться полезными при создании более плотно упакованных схем. Они позво­лили бы свести к нулю потери мощности и напряжения на длинных соединяющих проводах и перейти к меньшим значениям плотности тока. Медные провода а в этом случае являются альтернативным решением, связанным с существенно меньшим риском. Представляется, что только замены обычных проводников на сверхпроводящие недостаточно. Для более полного использования преимуществ высокотемпературной сверхпроводимости необходимо разработать конструкции, предоставляющие большие возможности для создания новых структур.

5.5.4 Электроника на базе сверхпроводящих устройств

Сверхпроводящие устройства позволяют повысить быстродей­ствие, чувствительность и точность многих электронных систем, включал детекторы миллиметровых волн, устройства высокоскоро­стной цифровой и аналоговой обработки сигналов, устройства с низким уровнем шума для низкочастотных измерений, эталоны постоянного напряжения. В настоящее время на рынке имеются джоэефсоновские устройства для высокочувствительных измерений, работавшие при 4,2 К, готовится промышленый выпуск прибора, использующего быстро действующие джоэефсоновские устройства. В нескольких лабораториях ведутся исследования по цифровым ЭВМ на джоэефсоновских переходах. Наряду с этим имеются и такие специаль­ные приложения, как контроль национального стандарта напряжения и джоэефсоновские смесители (со структурой сверхпроводник-изолятор-сверхпрооводник) для радиотелескопов, наилучшим образом реализуемые с помощью сверхпроводящих устройств. Относительно всех этих систем возникает вопрос о том, насколько хорошо они смогут работать пря температуре жидкого азота.

5.5.5 Цифровая Джозефсоновская технология

Джозефсоновская технология цифровых схем активно разрабатывалась в ряде стран для применения в быстродействующих ЭВМ. Несмотря на успешную демонстрацию работы логических схем и в какой-то мере функциональной памяти, ожидаемые преимущества этой технологии оказались не столь значительными вследствие ускоренного прогресса полупроводниковой технологии, приведшего к созданию сверхбольшого уровня интеграции (СБИС), транзисторов с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) на основе GaAs, повышению плотности упаковки логических микросхем и т.д. Джозефсоновская технология имеет ограничения, связанные с тем, что джозефсоновский переход по своей природе является двухполюсным, поятому необходимо применение порого­вых логических устройств.

При оценке цифровых устройств общего назначения показатели джозефсоновской технологии следует сравнивать с соответствующими показателями другого возможного вида технологии. Тогда сра­зу становится ясно, что индуктивные цепи, такие, как магнитно-связанные интерференционные петли, имеют слишком низкую плотность, чтобы быть конкурентоспособными. Если рассматривать ло­гические элементы, то здесь известно несколько семейств, не содержащих индуктивные петли. Эти элементы используются в больших интегральных схемах. Что касается запоминающих устройств, то в настоящее время альтернативы магнитной памяти нет, и магнит­ил на величину достижимой плотности упаковки элементов памя­ти.

Сверхпроводники могли бы оказать влияние на цифровую джозефсоновскую электронику следующим образом: 1) они позволили бы реализовать дополнительные преимущества джозефсоновских устройств как при гелиевых, так и при азотных температурах; 2) удоб­ство использования жидкого азота могло бы облегчить освоение джозефсоновской технологии.

В принципе новые улучшенные характеристики, достигаемые при использовании сверхпроводников, основаны на высоком значении ширины энергетической щели Δ. Большая щель позволяет в принципе получить, более широкую полосу пропускания сверхпроводящих цепей Δ/2πћ, более короткий теоретический предел для времени переключения вентиля (Δ/2πћ)^-1 и увеличенный диапазон рабочих напряжений. На практике же скорость переключе­ния устройства и, следовательно, длительность самого короткого импульса, который может пройти по сверхпроводящей линии, ограничивается не частотой, определяемой шириной щели обычного сверхппроводника, а емкостью перехода Cj в выражении Z₀Сj, где Z₀- импеданс линии. По этой причине высокое значение ширины щели для увеличения скорости срабатывания устройств не­существенно. Возможность создания линий с высокой пропускной способностью может быть с пользой применена в некоторых схемах, особенно в памяти, реализованной по джозефсоневской технологии. На плотность упаковки элементов памяти, однако, непосредственное влияние это не окажет. Другой способ использовать большое значение ширины щели - работать при более высоких уровнях тока при том же импедансе проводящих линий, что улучшит шумовые ха­рактеристики устройства. Ограниченная холодопроизводительностъ жидкого гелия приводит, однако, к необходимости работы при меньших максимально допустимых плотностях тока на более высоких уровнях мощности. Таким образом, большая величина ширины щели высокотемпературных сверхпроводников не может в значительной степени улучшить предполагаемые характеристики систем, заполнен­ии: по джозефсоновской технологии, при 4,2 К.

Еще одна возможность, которая: открывается благодаря новым сверхпроводникам, - использование джозефсоновских цифровых систем, работающих при более высоких температурах. Повышенные тепловые шумы побуждают в этом случае использовать больше тока, однако увеличение рассеиваемой мощности компенсируется более эффективной холодопроизводительностью азотного охлаждения.

Таким образом, сравнение показывает, что технологические проблемы как для высокотемпературной, тая и для гелиевой джозефсоновских технологий в основном схожи (в обоих случаях охлаждение не является главной трудностью) . Кроме того, можно выбрать и такой вариант: использовать в цифровых системах джозефсоновские логические элементы, работающие при 77 К, совместно с полу­проводниковой памятью с высокой плотностью упаковки элементов, поскольку прогнозы на создание джозефсоновской памяти с высокой плотностью неблагоприятны. Для этой цели, однако, необходимо еще разработать быстродействующие устройства, обеспечивающие совмест­ную работу этих двух систем, т.е. интерфейсы.

Кроме решения затронутых здесь проблем предстоит еще многое сделать в области технологии материалов для того, чтобы возмож­ность использования джозефсоновских устройств на YbaCuO стала реальной. В частности, малая длина когерентности и ее сильная чувствительность к диффузии кислорода создают труд­ности, которые едва ли могут быть преодолены при создания высоко­качественных туннельных переходов. До тех пор пока не проде­монстрирована возможность получения переходов нужного качества, перспективность цифровое джозефсоновских устройств на YbaCuO оценить довольно трудно.

5.5.6 Возможности создания новых криоэлементов

В течение ряда лет активный интерес проявлялся к новым, подобным транзисторам, элементам, работающим совместно со сверх­проводниками. Отчасти этот интерес объясняется трудностями использования двухполюсной джозефсоновекой ячейки в цифровых системах. С появлением сверхпроводников с температурой перехода >77 К возникла необходимость переосмыслить как имевшуюся элементную базу, так ж возможности ее применения. При 77 К хо­рошо работают полевые МОП-транзисторы, транзисторы с высокой подвижностью электронов на арсениде галлия и биполярные транзисторы с гетеропереходами, так что проблема трехполюсных эле­ментов для 77 К значительно проще, чем проблема трехполюсников, работающих при 4,2 К. Тем не менее желательно улучшить характеристики и уменьшить потребдяемую мощность транзисторов, работающих при 77 К. Улучшить характеристики можно, если прибегнуть к приемам, применяемым в технологии изготовления обычных тран­зисторов, например формировать более резкий пробель легирования и т.д. Такие возможности широко обсуждаются в литературе по сверхпроводникам. Мы же рассмотрим, какие новые качества могут появиться у полевых транзисторов с применением сверхпроводимости и какие новые элементы и устройства можно создать на сверхпроводниках.

Сверхпроводимость и полевые транзисторы (ПТ)

Некоторое время назад были предложены ПТ с, индуцированным сверхпроводящим каналом. В последние два года были продемонстрированы такие ПТ как на основе кремния, так и на арсениде индия. В этих транзисторах канал переходит в сверхпроводящее состояние в силу эффекта близости, а затравкой служат сверхпроводящие области истока и стока. Сила и длина затухания эффекта близости определяются длиной когерентности ζ=(ħ³μ/6 π m e k T)^1/2·(3π² n)^1/3 индуцированной в канале, отнеcенной к длине канала. Здесь μ - подвижность, а n- плот­ность носителей в полупроводниковом канале. Высокая подвижность и низкая плотность носителей в арсениде индия привели к тому, что сверхпроводимость оказывала некоторое влияние на работу ПТ с каналом длиной~1 мкм, тогда как длина каналов 7 ПТ на осно­ве кремния составляет 0,1 - 0,2 мкм. Изменения выходного напряжения, вызванные сверхпроводимостью, ограничен величиной, соответствующей ширине щели, т.е. < 5 мВ для обычных сверхпроводников. В то же время напряжения, которые необходимы для значительного изменения плотности носителей, составляет от десятых долей вольта до одного вольта. Например, при демонстрации на лучшем сверхпроводящем ПТ на основе кремния выходное напряжение изменялось лишь на ~1 мВ при входном напря­жении на затворе ~ 120 мВ.

Характеристики

Список файлов учебной работы