Реферат: История развития криоэлектроники - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

История развития криоэлектроники

Банк рефератов / Радиоэлектроника

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 5582 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

24 Министерство общего и профессионального образования Российской Федер ации Ангарский Государственный Технологический Институт Факультет технической кибернетики Кафедра промышленной электроники и вычислительной техники Реферат на тему : История развития криоэлектроники Выполнил : Студенты гр . ПЭ -99-3 Ф.И.О. Шереметьев А.Н. Козьмин Ю.Г. студент гр . ПЭ -99-2 Кузьмин А.А. Приняла : Терлецкая Л.А. Ангарск 1999 г. План : стр. 1. Введение 3 2. Часть 1 Исторические аспекты криоэлектроники 4 3. Част ь 2 Основные направления криоэлектроники 7 4. Часть 3 Микроэлектроника и холод 13 Перспективы применения структур на основе контак- тов сверхпроводников с полупроводниками в криоген- ной микроэлектронике 15 5. Заключение Новые проблемы и пути их решения 17 6. Вывод 20 7. Приложение 21 8. Список литературы 26 1. Введение Криогенная (от греческого "криос " - холод , моро з ) электроника , или криоэлектроника , направление электроники , охватывающее исследование при криогенных температурах (ниже 120 К ) специфических эффектов взаимодействия электромагнитного поля с носителями зарядов в твердом теле и создание электронных приб оров и устройств , работающих на основе этих эффектов , - криоэлектронных приборов. Криоэлектроника - одна из основных и весьма перспективных отраслей науки . Её интенсивному развитию способствовали , с одной стороны , широкие исследования явлений , происходящ их в твёрдом теле при низких температурах , и практическое применение полученных результатов в различных отраслях радиоэлектроники (в первую очередь в космической радиоэлектронике ), а с другой - определенные достижения криогенной техники , позволившие на о с новании как новых , так и ранее известных принципов разработать экономичные , малогабаритные и надежные системы охлаждения. Значительным стимулом к развитию криоэлектроники послужило также и то немаловажное обстоятельство , что при создании современных элек тронных устройств - высокочувствительной радиоприемной аппаратуры , быстродействующих электронных вычислительных машин и др . - конструкторы подошли буквально к пределу возможностей радиоэлектроники , принципиально достижимому в обычном интервале температур. Использование низких температур позволяет преодолеть это препятствие и открывает новые пути в разработке радиоэлектронных систем. Во-первых , глубокое охлаждение способствует значительному улучшению технических и экономических параметров радиоэлектронных устройств - преимущества компактных сверхпроводящих запоминающих устройств большой емкости и быстродействия для ЭВМ , сверхпроводящих магнитов и другой аппаратуры неоспоримы . Во-вторых , возникающие в условиях глубокого охлаждения явления , которые присущи т о лько такому состоянию вещества , позволяют создавать принципиально новые приборы . Именно так , например , был сконструирован мазер , успешно используемый в спутниковых системах связи , радиоастрономии и т.д. Криоэлектроника изучает особенности поведения радио электронных компонентов и материалов при очень низких температурах ( 0-20 К ), в частности такие необычные явления , как сверхпроводимость. Для работ в области криоэлектроники характерен большой размах лабораторных исследований . Показательными являются ра боты по созданию сверхпроводящих накопителей энергии большой ёмкости . Предназначенные первоначально для пузырьковых камер , сверхпроводящие накопители энергии также успешно применяются в качестве генераторов накачки для мощных лазеров и другой радиотехниче с кой аппаратуры . Выходят из стен лабораторий сверхпроводящие линии задержки различного назначения , криоэлектронные запоминающие устройства , охлаждаемые усилители и т . д. Поскольку криоэлектроника возникла на стыке нескольких различных научных направлений , первые публикации в этой области были связаны с традиционными направлениями . Однако уже с начала 60-х годов начинают появляться специальные издания , целиком посвященные криоэлектронике Proceeding of the IEEEE, № 10, 1964 , и первые монографии В.Н . А лфеев , Радиотехника низких температур , М ., изд-во "Советское радио ", 1964 . Часть 1 Исторические аспекты криоэлектроники Вопрос о минимально возможной температуре впервые привлек внимание исследователей еще около ста лет назад . Ныне охлаждение до низки х температур широко используется на практике в различного рода устройствах и системах , особенно в радиоэлектронной аппаратуре . Это стало возможным благодаря успешному решению проблемы сжижения газов. Хотя многие газы сжижаются сравнительно легко , первона чально 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 Камер линг-Оннес осуществил сжижение гелия , завершив тем самым первый этап работ по сжижению газов. В последующие десятилетия началось быстрое развитие методов использования новых криогенных жидкостей-сжиженных газов в фундаментальных научных исследованиях в п ромышленности . 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 сос т овляющие, — 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 ч увствительность ) обычных радиотехнических схем и созда ть принципиально новые радиоэлектронные устройства , например мазер. Наиболее распространенные охлаждающие агенты (криогены ) при нормальном атмосферном давлении имеют следующие температуры кипения : He – 4 K ; H -20 К ; N — 77 К ; О— 90 К ; CO 2 – 195 K (симблирует ) Точнее : 4,216 К (гелий ); 20,39 К (водород ); 77,3 К (азот ), 90,2 (кислород ). — Прим . перев . Четкого и однозначного определения интервала криогенных (низких ) температур нет , но чаще всего его ограничива ют 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 радиоэле ктронике , 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 отклоне ния 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 тр е буется , 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 , пла в ное 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 структур ы , 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 к ак 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 напр яжений (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 у с транить 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 на п равлений 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 воз растает . Но если случайную смесь . содержащую около 25% золота , отжигать в течение продолжительного времени , то обнаруживается тенденция к перегруппировке атомов в упорядоченную структуру сплава Cu 3 Au . Удельное сопротивление резко падает , хотя и остается вы ше , 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 кинетич еский 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 отно шении 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 к ристаллической 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 к оличеством 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 носит елями 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 эл е ктронно-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 эне ргии . 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 особен ности 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 упорядоченнос ти , 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 . Аналог и чным 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 равн о весное 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 к оторых 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 обла с ти применения сверхпроводников в различных радиоэлектронных системах и устройствах : больших электронно-вычислительных машинах , крупных электродвигателях и генераторах , электромагнитах , трансформаторах и линиях передач электроэнергии . Открытия , вроде эффе к та Джозефсона Эффект Джозефсона - протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой изолятора , разделяющий два сверхпроводника ( так называемый контакт Джозефсона ). Если ток не привышает критического значения то падение напряжения на контакте отсутствуе т , если привышает то возникает падение напряженияи контакт излучает ЭМ волны. , также нашли своё применение в области очень низких температур , где беспорядочные тепловые возмущения настолько малы , что становится возможным наблюдать и использовать весьма то нкие , 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 н изких 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 к олебаний 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 истор ия 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 яв л ениями 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 сил ь но 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 эффект ы 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 услов н о 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 те ле 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 Приложение (таблица № 1 ) . В таблицу включены в основном свойства , на основе которых начато или ожидается создание принципиально новых криоэлектронных приборо в . 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 г раницу 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 .). Принц и п 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 охлажд е нных 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 се бе 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 явлен ий 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. Были созданы первые переключатели со сверхпроводящим соленоидом. В 1954 г . произошло большое событие : Бакк предложил принципиально новый электронный прибор и дал ему имя «криотрон» . Вслед за этим прибором на базе механизма возникновения отрицательного сопротивления в полупроводниковом кристалле , охлажденном до такой степени , что примеси в нем были «выморожены» , был предложен еще один новый прибор — «криосар». Пробле ма использования квантовых резонансных свойств твердого тела при низких температурах для приема сверхслабых СВЧ сигналов привела к созданию квантовых парамагнитных усилителей (мазеров ). Мазеры появились вскоре после того , как Н . Г . Басов и А . М . Прохор о в предложили так называемый «трехуровневый метод» (метод «накачки» ) создания избыточной населенности верхнего энергетического уровня , необходимый для получения эффекта «отрицательного поглощения» , а Н . Бломберген предложил использовать в качестве акти в ного вещества для таких мазеров парамагнитные кристаллы , находящиеся при гелиевых температурах . Вскоре А . М . Прохоровым , Н . В . Карловым, А . А . Маненковым и др . были созданы резонаторные парамагнитные СВЧ усилители , с помощью которых была продемонстрирован а перспективность комплексного использования двух криоэлектронных материалов : парамагнетиков и сверхпроводников . В . Б . Штейншлейгером , Г . С . Мисежниковым и др . были разработаны мазеры бегущей волны , в которых криоэлектронные элементы защиты входа усилит е ля были построены на полупроводниках . Работы по исследованию вырожденных и невырожденных р - n переходов при низких температурах , широко известные работы по физике низких температур в Институте физических проблем , Физическом институте АН СССР , Институте ра диотехники и электроники , Физико-техническом институте АН СССР , работы украинских физиков проложили дорогу электронике к новым явлениям , возникающим при сильном ослаблении тепловых колебаний решетки. В 1963 г . в СССР вышел в свет первый научно-техничес кий сборник по охлаждаемым электронным приборам и сложным устройствам в корпусе-криостате . Вслед за ним в 1964 г . в США группой в составе Т . Шмидта и др . был также выпущен сборник , в названии которого впервые было напечатано «криогенная электроника» . Если до этого применялись различные термины : «радиотехника низких температур» , «криотроника» , «радиоэлектроника сверхнизких температур» и др ., то теперь положение изменилось . Стало ясно , что назрела пора оформления нового перспективного направления электроники, основанного на сверхпроводимости и других явлениях в твердом теле при криогенных температурах , которому окончательно присвоили название «криоэлектроника» или «криогенная электроника» . В попытках заглянуть в будущее криоэлектроники , предпринятых за послед н ие 15 лет в ряде обзорных и проблемных работ , можно выделить два крупных этапа . Первый этап относится к 1962 — 1966 гг ., когда в СССР и США появились оптимистические прогнозы вскоре после разработки дискретных криоэлектронных приборов : криотронных пленочных схем , детекторов ИК диапазона и СВЧ усилителей на охлажденных полупроводниковых структурах с р -n переходом. Этому этапу предшествовало создание микроскопической теории сверхпроводимости , установление , ее связи с феноменологической теорией Гинзбурга — Ландау (ГЛ ), открытие квантовых макроскопических явлений , включая открытие эффекта Джозефсона , синтез новых сверхпроводящих материалов и разработка квантовых парамагнитных СВЧ усилителей со сверхпроводящим соленоидом в гелиевом криостате См . приложения : рис . 3 . Второй этап прогнозов (1969 — 1973 гг .) был стимулирован развитием технологии полупроводниковой микроэлектроники , созданием работоспособных сверхпроводящих туннельных , мостиковых переходов на эффекте Джозефсона , структур на узкозонных соединениях ( InSb , I nAs ) и твердых растворах ( BiSb , CdHgTe , PbSnTe ), а также нелинейных кристаллов - параэлектриков , которые не переходят в сегнетоэлектрическую фазу при низких температурах ( SrTiO 3 ), и сегнетоэлектриков с низкой температурой Кюри - Вейсса . Анализ работ по криоэлек тронике за последние 10 — 15 лет показывает , что основные идеи этих прогнозов подтвердились , хотя огромные успехи микроэлектроники , открывая новые технологические возможности , в ряде случаев поставили под сомнение целесообразность широкого применения некото рых криоэлектронных приборов , например пленочных криотронов . Криоэлектроника стала привлекать не только исследователей , работающих в области электроники , но и специалистов по физике твердого тела , которые ранее электронными приборами не увлекались , специа л истов-«комплексников» , которые ранее стремились любой ценой избавиться от необходимости внедрения криогенных элементов в аппаратуру , специалистов в области космонавтики и астрономии . Это во многом объясняется успехами космической криогенной техники и тем , что с каждым пятилетием все глубже во все сферы жизни человека проникают средства ИК диапазона волн . Действительно , в наши дни трудно указать область науки и техники , в которой не применялись бы инфракрасные устройства . Специфические особенности ИК излуче н ия как носителя информации ставят его в один ряд со светом и радиоизлучением . Поскольку тепловое излучение тел связано непосредственно с их термодинамическим состоянием , оно содержит полные сведения о температуре источника . Кроме того , спектральный состав излучения зависит от материала поверхности и вида излучаемых различными телами частиц , например газов . Поэтому он несет в себе информацию о веществе и состоянии поверхности источника излучения . Эти качества ИК излучения , позволяющие выявлять внутренние св о йства объектов и наблюдать глубинные процессы , протекающие в них , способствуют привлечению его для решения таких задач , в которых получить указанную информацию с помощью других сигналов не удается . Особенно заметный сдвиг в развитии криоэлектронной ПК тех н ики был сделан в связи с изобретением охлаждаемых твердотельных лазеров ИК диапазона и освоением космического пространства . Этот сдвиг был вызван еще и тем , что в космосе имеются идеальные условия для распространения ИК излучения и сравнительно однородный фон неба , отсутствует поглощающая и рассеивающая среда и имеются условия для использования естественного охлаждения приёмных элементов за счет тепловой радиации либо за счет применения отвердевших газов. Космическая связь , локация и наведение кораблей , п оиск и обнаружение теплоизлучающих объектов , дистанционное измерение температур , спектральный анализ атмосферы планет , тепловидение в медицине , промышленности и геологии - все это новые задачи , решать которые призвана криоэлектронная техника ИК диапазона . Другое направление , вызвавшее появление новых средств и криоэлектронных приборов - это дистанционные исследования природных ресурсов Земли и планет во всём спектре ИК волн : от ближнего ИК до субмиллиметрового диапазона См . приложения : рис . 2 . Инфракра сные системы дистанционного зондирования развиваются столь стремительно , что почти все отрасли народного хозяйства , включая промышленность , морской флот , сельское хозяйство , геологию будут получать все больше ощутимой пользы от внедрения этих систем . Не м е нее быстро развиваются космические радиотелескопы , как автоматические , так и обслуживаемые космонавтами . Для того , чтобы эти телескопы , позволяющие изучать объекты в наименее доступных с поверхности Земли дальнем ИК диапазоне и участке субмиллиметровых во л н , могли длительное время работать в космосе , их криоэлектронная приемная часть должна представлять единое целое с криогенной установкой замкнутого цикла . Совсем недавно бортовая криогенная установка даже азотного уровня охлаждения была мечтой , а теперь п р и полете орбитального научно-исследовательского комплекса «Салют -6»-«Союз -27» на борту станции уже успешно работала криогенная установка , обеспечивающая получение температуры 4,2 К для криоэлектронного приемника субмиллиметрового диапазона волн . Проведение космонавтами Ю . Романенко и Г . Гречко испытания впервые созданной учеными Физического института АН СССР и советскими специалистами по микрокриогенной технике малогабаритной криоэлектронной приемной системы гелиевого уровня , включение , юстировка и осущест в ление измерений на телескопе открыли новую страницу в криоэлектронике . Мощным дополнительным толчком послужили запуски не только на эллиптические , но и на стационарные орбиты спутников-ретрансляторов , позволившие создать во многих странах спутниковые сист е мы связи и телевидения и начать продвижение рабочих частот спутниковых систем в область все более высоких частот , включая диапазон миллиметровых волн и в перспективе дальний ИК диапазон . Энергетический голод заставил человечество срочно искать новые источ н ики энергии , и взоры обратились к криогенному газу — водороду , являющемуся прекрасным топливом, — назрела пора водородной энергетики . Криоэнергетика , криобиология , криохимия , криомедицина стремительно возникали , усиливая всеобщую тенденцию к использованию в т ехнике свойств веществ при низких температурах. По мере того как в радиоэлектронике назревал коренной поворот , обусловленный развитием технологической базы микроэлектроники , это тяготение к низким температурам охватило и микроэлектронное аппаратостроение . Одна за другой возникали новые проблемы , решение которых известными методами интегральных схем при обычных температурах было в принципе невозможно или настолько затруднено , что их практическая реализация ставилась под сомнение . В то же время одно за дру г им следовали открытия новых явлений в пленочных структурах при низких температурах , не реализованных в микроэлектронике . Однако криоэлектроника все-таки развивалась не так быстро , как другие ветви микроэлектроники . Причин , тормозивших ее развитие , было не м ало , прежде всего : недостаточная изученность электронных процессов в охлажденных структурах и пленках на базе твердого тела , недостаточность реальных конструкторско-технологических идей по созданию интегральных электронных приборов на основе этих процессо в и особенно надежных , воспроизводимых многоэлементных , многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами , а также практических методов снижения удельного веса затрат на охлаждение интегральных приборов до уровня затрат на обычное термостатирование и увеличение срока непрерывного действия охлажденных устройств . Поэтому криоэлектроника является комплексной областью знаний и включает несколько основных направлении : криоэлектронное материаловедение ; СВЧ криоэлектронику на объемных компонентах ; сверхпровод никовую криоэлектронику ; криоэлектронную ИК технику , интегральную криоэлектронику и технику криостатирования . Рассмотрим основные из данных направлений . Криоэлектронное материаловедение охватывает изучение электронных и магнитных явлений в охлажденных тве р дых телах, в том числе и в отвердевших газах , разработку технологии и синтез новых материалов с заданными свойствами в области криогенных температур с целью создания новых дискретных криоэлектронных элементов , функциональных радиоэлектронных приборов и мик роохладителей. СВЧ криоэлектроника включает создание нового класса микроприборов : охлаждаемых параметрических и транзисторных усилителей , смесителей , детекторов и сложных многофункциональных приемных модулей на объемных сверхпроводящих , полупроводниковых и других компонентах , представляющих сочетание фильтров , усилителей , циркуляторов , конструктивно объединенных в одной оболочке — криостате и связанных с криогенной установкой . СВЧ криоэлектроника на объемных компонентах является большим комплексным направле нием и охватывает весьма широкий круг задач : от технологии создания активных и пассивных СВЧ элементов до разработки функциональных приборов и сложных приемных модулей , являющихся по существу самостоятельными радиоприемными устройствами . Сверхпроводников ая криоэлектроника , начавшаяся с создания криотрона , развивалась по пути разработки дискретных приборов , основанных на сверхпроводимости , с уникальными характеристиками : сверхпроводящих СВЧ резонаторов См . приложения : рис . 4 с добротностью до 10 9 , СВЧ л иний задержки и коаксиальных кабелей , практически не имеющих потерь , мощных микромагнитов . Выдающимся достижением стало создание на основе эффекта Джозефсона сверхпроводящих магнитометров , обладающих недостижимыми прежде параметрами , индикаторов сверхмалы х напряжений и токов , а также детекторов субмиллиметрового диапазона волн. Криоэлектронная ИК техника вначале тоже включала дискретные элементы : охлаждаемые тепловые ИК приемники (болометры ) , спектральный диапазон которых зависит от характеристик оптическ их фильтров , и фотонные , селективные , ИК приемники , основанные на применении собственных узкозонных и примесных полупроводников , фоторезистивных и фотовольтических свойств охлажденных структур в различных участках ИК диапазона. Поток открытий и идей в фи зике низких температур , физике тонких пленок , хлынувший после создания микроскопической теории сверхпроводимости и синтеза низко температурных материалов , успехи технологии распахнули двери и новый мир . Симбиоз новейшей технологии . микроэлектроники с физи ч ескими принципами и материалами криоэлектроники привел к переходу от дискретного уникального криоприбора к интегральному криоэлектронному модулю , т . е . к интегральной криоэлектронике . Родились новейшие направления интегральной криоэлектроники со своими пр о блемами и перспективами , из которых наибольшее развитие получают : — интегральная криоэлектроника ИК диапазона (приборы с зарядовой связью , многоэлементные ИК приемники , ИК лазеры и др .); — интегральная СВЧ криоэлектроника (интегральные схемы СВЧ усилите лей , циркуляторов , фильтров , смесителей и др .) ; — интегральная криоэлектроника на основе слабосвязанных сверхпроводников для вычислительной техники (интегральные схемы логики и памяти ) . Значительное увеличение удельного веса работ по интегральной криоэл ектронике отражает суть нового этапа в развитии криоэлектроники , обусловленного успехами технологии пленочных и полупроводниковых схем микроэлектроники . Использование достижений технологии изготовления интегральных схем в криоэлектронике открыло пути комп л ексной микроминиатюризации ряда электронной приемной аппаратуры при одновременном качественном улучшении ее основных параметров . Такому положению способствуют глубинные процессы , происходящие в электронике. — интеграция большого числа элементов в одном кр иостатируемом корпусе ; — создание многокомпонентных гетероструктур , в том числе на основе узкозонных материалов ; — интеграция явлений , функций и разнородных материалов в одной структуре на основе контактов сверхпроводник - полупроводник , параэлектрик - сверхпроводник ; — применение криогенной технологии (крионасосов , криогенного охлаждения подложек , охлаждения химических веществ для проведения уникальных реакций методом туннелирования при низких температурах ) для создания криоэлектронных элементов . Исч езновение активного сопротивления в сверхпроводниках при криогенных температурах в широком спектре частот позволяет практически полностью устранить тепловые потери , повысить к . п . д . элементов и создать резонаторы с добротностью до 10 8 — 10 12 вместо 10 3 — 10 4 на частотах вплоть до 10 — 30 ГГц . На основе эффекта Джозефсона и явлений в контактах сверхпроводник — полупроводник могут быть разработаны высокочувствительные датчики , измеряющие напряжения 10 -16 В , видеодетекторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазон ов волн с чувствительностью 10 -15 Вт /Гц 1/2 , тонко-пленочные интегральные схемы памяти и логики с быстродействием 10 -11 с , работающие почти без выделения тепла , магнитометры с чувствительностью на 5 порядков выше , чем у наилучших известных приборов . Вымо раживание примеси в полупроводнике при уменьшении тепловой энергии решетки ниже энергии ионизации примеси , устранение собственной проводимости в узкозонных полупроводниках , токов термоэлектронной эмиссии в барьерах Шоттки за счет охлаждения открывают пути для приема излучений в недоступных кремниевым фотодиодам и ПЗС участках спектра , вплоть до дальнего ИК диапазона . Кремниевые ПЗС с барьерами Шоттки при азотных температурах охватывают диапазон до 3,5 мкм , ПЗС на основе InSb и кремниевые ПЗС , легированные I n , до 3 — 5 мкм , гибридные ПЗС с применением HgCdTe , PbSnTe имеют в дальнем ИК диапазоне пороговую чувствительность , приведенную к единичной фотоприемной площадке 1 см 2 , при азотных температурах порядка 10 -10 - 10 -11 Вт /Гц 1/2 , если отношение сигнал /шум равно 1. Глубокое охлаждение решетки твердого тела приводит к значительному уменьшению тепловых шумов , являющихся принципиальным органичением при повышении чувствительности электронных приборов , особенно в СВЧ и ИК диапазонах . Шумовая температура охлажденных полу проводниковых усилителей может достигать 5 — 20 К в широком диапазоне частот , а шумовая температура смесителя на контакте полупроводник - сверхпроводник на частотах ~10 10 Гц составляет при гелиевых температурах рекордно малую величину — около 13 К , гетероди нный приемник лазерного излучения имеет при 77 К чувствительность около 10 -20 Вт /Гц 1/2 в ИК диапазоне. Интенсивное развитие интегральной криоэлектроники тесно связано с созданием криостатов с жидким и твердым хладоагентом и микрокриогенных систем с замкн утым циклом , не требующих периодического пололнения жидким или газообразным хладоагентом . Создание криостатов с охладителями типа Макмагона — Джиффорда позволило надежно освоить диапазон на стыке водородных и гелиевых температур , появились микрокриогенные си стемы гелиевого уровня . Криостаты с дроссельными микроохладителями после применения в них газовых смесей становятся конкурентоспособными по сравнению с другими системами . Начинается внедрение гибридных электронных охладителей на основе эффектов Пельтье , Эт тингсгаузена . Существенной особенностью этих охладителей является слабая зависимость относительного термодинамического к . п . д . от холодопроизводительности , в то время как соответствующий коэффициент газовых машинных охладителей резко снижается при уменьш е нии холодопроизводительности . Таким образом , можно будет снять ограничение с минимально достижимой холодопроизводительности , что , в свою очередь , уменьшает размеры всей охлаждающей системы . Именно в области криогенных систем малой холодопроизводительности электронное криостатирование , в задачи которого входит создание криогенных твердотельных электронных микроохладителей на различные уровни температур вплоть до сверхнизких , будет , по-видимому , наиболее конкурентоспособным . Интегральная криоэлектроника позв о лит в дальнейшем объединить в одном твердотельном модуле электронную охлаждаемую схему с электронным охладителем , что является способом создания полностью твердотельных криоэлектронных интегральных схем . В такой необычной схеме охладительная часть также м о жет быть выполнена методами интегральной технологии и иметь один и тот же источник питания . При этом предварительное охлаждение может осуществляться не электронными методами , что важно для разработки микроэлектронных систем с большой степенью интеграции , н апример антенных фазированных решеток . Развитие интегральной криоэлектроники как новой отрасли микроэлектронной техники непрерывно ставит перед исследователями новые задачи : — создание электронных приборов с принципиально новыми свойствами на основе откры тых физических низкотемпературных явлений путем использования технологии интегральных полупроводниковых схем ; — изменение физических свойств структур за счет глубокого охлаждения для получения принципиально нового прибора ; — создание новых конструктивных и технологических методов с целью сочетания в одном электронном функциональном модуле свойств криоэлектронного прибора и микроохладителя ; — комплексная микроминиатюризация охлаждаемых многофункциональных узлов аппаратуры с одновременным улучшением ее эле ктрических параметров . Часть 3 Микроэлектроника и холод Микроминиатюризация в области электронно-вычислительной техники — важнейшее направление научнотехнического прогресса. На основе полупроводниковых интегральных схем можно было бы создать мощн ую ЭВМ размером всего со школьный ранец , если бы был предложен эффективный способ отвода тепла от такого устройства . Но это оказалось непосильной для современной техники задачей : устройство должно выделять до киловатта энергии каждую секунду . Решение было найдено с помощью криогеники в сочетании с отказом от полупроводников. Четверть века назад , а точнее , в 1962 году , английский ученый Джозефсон (в то время он был еще студентом ) теоретически предсказал эффект , названный позднее его именем . На основе эффек та Джозефсона было сконструировано электронное устройство , так называемый «джозефсоновский переход» . Оно представляет собой два сверхпроводящих электрода , разделенных тончайшим (от 10 до 50 А ) слоем диэлектрика . Диэлектрик даже при сверхнизких температурах электрический ток не пропускает . В данном же случае благодаря сверхпроводящему состоянию электродов и в зависимости от приложенных к переходу электрических и магнитных полей электрический ток через изолятор проходит . Причем при температуре 4, 2К такой приб ор выделяет в 10000 раз меньше тепла , чем обычный транзистор . Иными словами , ЭВМ той же мощности , что и упомянутая выше , но построенная не на полупроводниках , а на сверхпроводящих элементах , выделяла бы всего 0,1 Вт в секунду ! А каждый «джозефсоновский пер еход» может работать и как детектор , и как усилитель , и как ячейка памяти , и как логический элемент . Наиболее стабильны в работе «джозефсоновские переходы» с электродами из ниобия . Устройства сверхпроводящей электроники уже используются на практике . Так , на их основе созданы сверхчувствительные измерители магнитных потоков и полей , успешно применяемые в медицине (магнитокардиография и магнитоэнцефалография ). Большое внимание наука уделяет сейчас разработки способов получения сверхчистых металлов , анали за их чистоты и изучения их свойств . А надо сказать , что свойства эти поистине удивительные . Например , титан , висмут , вольфрам , хром , молибден , тантал , цирконий долго считались хрупкими . В чистом же виде они оказались пластичными и прочными . И чем выше чи с тота полученных образцов , тем больше вероятность обнаружения "маскируемых " примесями подлинных свойств металлов. В лабораториях Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов получены монокристаллы многих сверхчистых металлов — меди и серебра , никеля и кобальта , висмута и свинца , индия , сурьмы , самария . Их проба чистоты чрезвычайно высока — до 99,999999 процента ! Такая почти идеальная чистота удовлетворяет требованиям микроэлектроники , где металлы находят все более широкое примен ение. Жесткие требования микроэлектроники к чистоте используемых металлических материалов связаны с тем , что сверхчистый металл ведет себя почти как сверхпроводник , помехи электронам проводимости создают «чужие» атомы . А это значит , что при отсутствии та ких помех , т.е . при работе со сверхчистыми металлами , не возникает (или , точнее , значительно слабее проявляется ) проблема отвода тепла . Кроме того , что очень важно для электронно-вычислительной техники , непрерывно циркулирующий поток информации в виде зар я да , волны и пр . в схеме , выполненной из сверхчистых металлов , не встретит препятствий , а это предохранит устройство от сбоев и ошибок. Получение сверхчистых металлов — тема особая , и мы не будем ее касаться . Скажем только , что сохранить вещество в чистом виде не менее сложно , чем получить . И здесь на помощь опять-таки приходит криогенная техника : один из эффективных способов сохранения чистоты металлических материалов — содержание их в условиях сверхнизких температур (в жидком азоте , а еще лучше — в жидко м гелии ). В Советском Союзе разработан метод определения чистоты сверхчистых металлов (при содержании примесей менее 10 -4 процентов ), основанный на использовании электромагнитных волн особого , типа — геликонов . Эти волны затухают в ряде металлов пропорци онально концентрации примесей . Любопытно, что геликоны есть не что иное , как затухание электромагнитных волн , испускаемых плазмой заряженных частиц , что наблюдается лишь в вакууме . Иными словами , сверхчистые металлы проявляют свойства вакуума . Такое же схо дство свойств с вакуумом сверхчистые металлы проявили при исследовании «пробега» в них свободных электронов . В сверхчистых образцах индия , например , охлажденных до температур ниже температуры кипения гелия , электроны проходили 8 — 1 0мм — как в вакууме ! Более того , была доказана возможность с помощью магнитного поля фокусировать и управлять траекториями электронов проводимости внутри образца сверхчистого металла . Важно отметить , что в сверхчистых металлах плотность потока электронов проводимости составляет 10 2 2 электронов в 1 см 3 , т . е . почти как в вакууме и в сотни тысяч раз больше , чем в полупроводниках. Отсюда был сделан естественный вывод : использование сверхчистых металлов в конструкциях ЭВМ резко повысило бы эффективность вычислительных и управляющих си стем . По мнению директора Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов , члена-корреспондента АН СССР Ч . В . Копецкого , развитие науки и техники в этом направлении может привести к появлению новой отрасли — металлической электроник и , или металлотроники . Основным элементом электронных систем , по его мнению , могут стать «триады» из двух сверхчистых металлических монокристаллов , соединенных (или разделенных ) микромостиком («длиной» до 100 мкм ), изготовленным также из металлического мон окристалла особой чистоты . Через такой микромостик при близких к абсолютному нулю температурах можно пропускать электроток огромной плотности — 10 9 — 10 10 А /см 2 . И мостик при этом даже не нагревается . Это поистине парадоксальное свойство сверхчистых металл ов , ведь самый тугоплавкий металл обычной технической чистоты испаряется при плотности тока 10 5 на квадратный сантиметр. Одним словом , металлотроника в содружестве с криогенной техникой являются продвижением научно-технического прогресса. Перспективы пр именения структур на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криогенной микроэлектронике Проблема создания структур на основе контактов С — П , приборов и многофункциональных устройств на этих структурах является комплексной . Нужно пройти бо льшой путь от разработки воспроизводимой технологии получения простейших контактов и приборов , например полупроводникового (как это ни странно звучит ) криотрона с джозефсоновским вентилем , сверхчувствительных детекторов дальнего ИК диапазона до криоэлектр о нных приемных устройств и вычислительных систем , в которых необходимо будет найти разумное сочетание различных рассматриваемых структур . Но в целом этот путь полезный и даёт много нового микроэлектронике . Это можно показать в виде условной схемы на рисунк е № 1 , в которой представлены не только структуры и приборы , о которых выше упоминалось , но и возможные перспективные приборы. Приложение (Рисунок 1) Применение рассмотренных структур на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криоэлектрон ике открывает новые возможности для создания различных (функциональных приборов : усилителей , детекторов , преобразователей , ПЗС с внутренним усилением , приемников ИК диапазона , линий задержки , регистров сдвига . Сочетание на одном полупроводниковом кристалл е нескольких структур , выполненных в одном технологическом цикле , например структур , имеющих параметрические и детекторные элементы , в принципе позволяет поднять чувствительность криоэлектронных приемников прямого усиления до уровня супергетеродинных . Сочет ание сверхпроводящих структур с полупроводниковым барьером , в которых при проявлении эффекта Джозефсона частоты принимаемого сигнала могут охватить практически весь ИК диапазон , с регистром сдвига на структурах с зарядовой связью и малошумящими усилительн ы ми элементами позволяет создать многоэлементные приемники с самосканированием , работающие в дальнем и сверхдальнем ИК диапазонах . Возможно создание на этой основе и многодиапазонных ПЗС ИК диапазона . При построении сложных интегральных схем на СВЧ микропол осковые линии и резонаторы усилителей могут быть выполнены непосредственно на той части поверхности полупроводникового кристалла , в которой при температурах Т <Т с наступает «вымораживание» носителей заряда и потери становятся примерно такими же , как и в хор оших диэлектриках . На эту часть кристалла может быть нанесено и несколько дополнительных связанных пленочных сверхпроводящих резонаторов , образующих сверхпроводниковые СВЧ фильтры , либо преселекторы — усилители со сверхпроводниковыми резонаторами , предложе нные и рассмотренные для мазера с пассивными сверхпроводниковыми резонаторами , либо Сп болометры . Способность работать при любых условиях охлаждения , вплоть до температур , близких к абсолютному нулю , где отсутствуют тепловые колебания , а шумы кристаллическ ой решетки становятся исключительно малыми , причем ассортимент сверхпроводниковых и полупроводниковых материалов существенно расширен , является одним из ценных свойств рассматриваемых структур , которые базируются на передовой технологии БИС . Тенденция к о с воению в микроэлектронике свойств твердого тела при криогенных температурах , проявившаяся благодаря успехам в создании различных криоэлектронных приемных систем на базе сверхпроводников , узкозонных полупроводников и других материалов , неуклонно пробивает с ебе дорогу . Одновременно , как видно из данной работы , появилась и другая тенденция , созревшая но мере развития электронного материаловедения и функциональной микроэлектроники . Это - переход к созданию в едином технологическом цикле уже не только материало в , например полупроводниковых кристаллов , и не только эпитаксиальных пленок из одного материала , но сначала «простых» полупроводниковых гетероструктур , МДП-структур , вплоть до рассматриваемых сложных структур С — П , С— П — С и др . Эти структуры можно назвать фун кциональными. Прикладное значение контактов сверхпроводников и полупроводников для микроэлектроники с годами , особенно по мере развития технологии получения сверхтонких однородных полупроводников , сверхпроводников , слоев и субмикронных зазоров , возраста ло наряду с возрастанием значения полупроводниковых охлаждаемых гетероструктур. Новые криоэлектронные структуры на базе контактов сверхпроводников с полупроводниками и полуметаллами так же , как и новые структуры на базе контактов сверхпроводников с нели нейными сегнетоэлектриками в параэлектрической фазе (при Т >Т с ) и нелинейными криопараэлектриками , в которых заложены многие новые функциональные возможности , заняли свое место среди новых материалов и структур микроэлектроники . При этом могли появиться при боры как бы с тройной интеграцией : интеграцией элементов , интеграцией материалов и явлений и интеграцией функций в одной твердотельной схеме с корпусом-криостатом . Полезно обратить внимание на принципиальное различие между энергетической щелью (запрещенн ой зоной ) в полу проводнике и щелью в сверхпроводнике . В полупроводнике минимумы энергии Е (р ) определяются кристаллической решеткой и наличие щели приводит при Т ==0 К (при отсутствии контакта со сверхпроводником ), к нулевой проводимости . В сверхпроводнике м инимумы Е (р ) определяются взаимодействием электронов внутри электронной системы и наличие щели приводит к бесконечной проводимости. Заключение Новые проблемы и пути их решения Криоэлектронику часто относят к микроэлектронике , счи тая ее высшей ступенью создания интегральных пленочных схем для ЭВМ . Это определение весьма неполное и охватывает только одно из направлений криоэлектроники — интегральную криотронику на тонкопленочных сверхпроводниковых элементах со слабой связью . В целом ж е интегральная криоэлектроника , базируясь на достижениях технологии современной микроэлектроники , включает более широкий круг проблем , без решения которых невозможно создать приборы , работающие при криогенных температурах и пригодные для серийного произво д ства и постоянной эксплуатации . Дело в том , что криоэлектроника в отличие от полупроводниковой микроэлектроники опирается на новые физические явления , такие как : сверхпроводимость , эффекты Джозефсона , явления в узкозонных полупроводниках , полуметаллах , па р аэлектриках и др ., проявляющиеся только при охлаждении и не реализованные ранее . При этом криоэлектронный микроприбор или интегральная криоэлектронная схема может представлять собой симбиоз охлаждаемой электронной схемы и охладителя (газового , электронног о либо радиационного ). Развитие интегральной криоэлектроники , как и развитие всей микроэлектроники , знаменует собой новый этап в электронной технике . Внедрение криоэлектронных приборов в народное хозяйство , в технику связи и телевидение , вычислительную , ра д иолокационную технику и приборостроение не только позволяет в больших системах уменьшить габариты , массу и стоимость аппаратуры при увеличении ее надежности , но и приведет к коренному улучшению электрических параметров этой аппаратуры . Как видно из приведе нных материалов , уровень охлаждения в основном определяет параметры и область применения криоэлектронных приборов . Приборы азотного уровня охлаждения , самые дешевые и легкие , могут все шире применяться в массовой мобильной аппаратуре , а приборы гелиевого у ровня охлаждения , энергопотребление которых в 25 — 70 раз больше , находят применение в стационарных , тяжелых объектах или там , где уже есть жидкий гелий . При этом электрические параметры приборов гелиевого уровня , в которых могут использоваться сверхпроводни ки , будут значительно лучше параметров приборов других уровней охлаждения , где сверхпроводники применить не удается . Границы применения криоэлектронных изделий трудно установить , но совершенно очевидно , что расширение и углубление научных , конструкторских и технологических работ в области криоэлектроники вообще и , в частности , техники криостатирования позволяет решить ряд важных проблем. Первая проблема — освоение дальнего и сверхдальнего ИК диапазонов для приема естественных и лазерных ИК излучений . Это позволяет расширить спектральные границы систем для изучения природных ресурсов Земли и планет и поставить новые твердотельные охлаждаемые лазеры , эффективно работающие в ИК диапазонах на службу человеку. Вторая проблема — создание криоэлектронных индикато ров слабого теплового излучения на базе интегральных приборов с зарядовой связью для тепловидения в промышленности , геологии и в медицине . Есть основание полагать , что криоэлектронные индикаторы дадут возможность осуществить раннюю диагностику ряда раковы х заболеваний. Третья проблема — создание массовых малогабаритных сверхчувствительных приемников , воспринимающих с высокой избирательностью по частоте и помехозащищенностью такие слабые радиосигналы , которые обычные приемники даже не в состоянии обнаружить. Эти приборы находят самое широкое применение в системах оповещения , управления , связи , телевидения , телеметрии , пассивной локации и навигации , космической техники , радиоастрономии , приборостроения и системах наведения . При этом , например , дальность обнар у жения пассивной локации , связи , телеметрии возрастает в 2 — 3 раза , защита от помех в 10 — 100 раз . Прием сверхдальнего телевидения через спутник в любой точке страны в новых высокоинформативных участках СВЧ диапазона возможен непосредственно домашними телевиз орами с помощью небольшой коллективной антенны . Разработка твердотельных перестраиваемых и модулируемых лазеров дальнего ИК диапазона и создание нового тина твердотельных СВЧ генераторов , имеющих при высоком к . п . д . стабильность частоты , присущую квантов ы м генераторам , в десятки и сотни раз большую выходную мощность во всем СВЧ диапазоне , является четвертой проблемой. Криоэлектроника позволила создать большие и сверхбольшие интегральные схемы нового типа на основе сверхпроводящих пленочных структур для р азработки нового класса электронных вычислительных машин со сверхбольшой памятью , меньших по габаритам и в 10 — 100 раз более производительных , чем ранее существующие . В результате успешного решения технологических проблем в 1980 — 1985 гг . были изготовлены З У с емкостью 256 Кбит на кристалле , временем записи и считывания 620 и 340 нс соответственно и потребляемой мощностью 7 мкВт. Согласно прогнозам давних лет сверхпроводниковая ЭВМ могла бы быть изготовлена к 1990 г ., причем память большой емкости - к 1983 — 1985 гг ., а Центральный криоэлектронный процессор - к 1985 — 1987 гг . Однако из-за необходимости охлаждения сверхпроводниковые вычислительные устройства имеют ограниченные специальными целями применения . Значительный прогресс в разработке и выпуске , холодил ьных устройств (криостатов и рефрижераторов с замкнутым циклом на температуру 4,2 К ) существенно удешевляет затраты , связанные с охлаждением . Действительно , ЗУ емкостью 10 8 бит состоит из 5*10 3 пластин размером 1 см 2 содержащих каждая 2*10 4 бит . Мощность , потребляемая одной платой 10 -4 Вт , полным ЗУ — 0,5 Вт. В эти же годы , по прогнозу , должны были быть созданы комбинированные (с газовым каскадом ) и электронные твердотельные микроохладители на различные уровни криогенных температур , вакуумные и твердотельны е приборы со сверхпроводящими соленоидами для освоения новых СВЧ диапазонов (миллиметровых и субмиллиметровых волн ), измерительные приборы с разрешающей способностью и чувствительностью в 100 — 1000 раз лучше существующих. Характерной чертой электроники яв лялось разнообразие материалов , применяемых в электронной технике . Наряду с диэлектриками и широкозонными полупроводниками все большую роль в электронике играли узкозонные полупроводники , материалы с температурой Кюри , лежащей в области криогенных темпера т ур , и сверхпроводящие материалы . Если ранее широкому внедрению сверхпроводников в электронику препятствовало то , что сверхпроводимость в них наступала при очень глубоком охлаждении , близком к абсолютному нулю , то теперь положение коренным образом изменило с ь . Синтезированы новые материалы , которые уже при Т ~ 20 К становятся сверхпроводниками , созданы узкозонные полупроводниковые твердые растворы , полуметаллы , тонкие пленки , гетеро - и варизонные структуры на их основе , параэлектрические пленки на SrTiO 3 с высо кой нелинейностью , примесные пленки . Для выполнения столь обширной программы в области криоэлектроники необходима консолидация научных сил , занимающихся низкотемпературным материаловедением , низкотемпературной электроникой твердого тела и криогенным прибо р остроением , а также проведение фундаментальных работ по основным направлениям криоэлектроники , без которых нельзя ликвидировать создавшийся разрыв между большими открытиями в физике низких температур , прежде всего по сверхпроводимости и свойствам узкозонн ы х полупроводников , полуметаллов и параэлектриков при криогенных температурах , и возможностью их широкого практического использования . Вместе с тем очевидно , что развитие криоэлектроники обогащало научно-техническую оснащенность страны , способствовало боле е быстрому развитию физики , химии , радиотехники , связи , автоматики , приборостроения . С каждым годом увеличивалось влияние криоэлектроники на другие области электронной техники . Это обусловлено тем , что непрерывное улучшение параметров электронных приборов п остепенно приближает их к теоретически возможному пределу при обычных температурах . Глубокое охлаждение позволяет намного перешагнуть эти пределы и применять охлажденные приборы в едином модуле с криоэлектронными , что приводит к комплексной микроминиатюри з ации сложной радиоэлектронной аппаратуры. Приборы криоэлектроники , как и приборы вакуумной , полупроводниковой , квантовой электроники и микроэлектроники , должны непрерывно дополнять и расширять возможности электроники . Это открыло огромные перспективы . На рубеже 1985 — 1995 гг . планировалось осуществить разработку и выпуск многоспектральных криоэлектронных приемных устройств , перекрывающих средний , дальний и сверхдальний ИК диапазоны для комплексов изучения природных ресурсов Земли и планет . А также следующе е : — промышленный выпуск приемных и приемопередающих ИК и СВЧ криоэлектронных модулей с твердотельными и электронными охладителями , которые находят широкое применение во многих наземных , космических и орбитальных системах связи , в радиолокации , телеметри и , управлении , автоматике , приборостроении , ракетной технике ; — широкое внедрение криоэлектронных приборов , обеспечивающих непосредственный прием через космос многих программ телевидения в любой точке Земли домашними телевизорами , а также прием сверхдальн его телевидения в салонах самолетов дальних рейсов , поездах и пароходах дальнего следования , в автомобилях . Возможен прием в любой точке Земли цветного телевидения , передаваемого как земными телецентрами , так и телецентрами других объектов ; — Возможно так же создание крупных орбитальных криогенных вычислительных центров единой системы навигации и прогноза погоды ; сооружение криогенных вычислительных центров на Луне и других планетах , а также комплексов , работающих в открытом космическом пространств с охлажд ением за счет радиации и твердых газов ; — приближение к . п . д . многих электронных приборов СВЧ к 100%; освоение новых участков спектра в дальнем ИК диапазоне ; — разработка массивов криотронных микропереключателей с внутренней логикой для создания автомат ической телескопной связи , охватывающей в единой системе народное хозяйство и население страны . Одной из причин , вынуждающих уже сегодня все шире применять криоэлектронные приборы , является резкое усложнение условий , в которых должны работать электронные п риборы . С каждым годом область рабочих температур непрерывно расширяется , и если когда-то температура — 80°С была пределом для интегральной схемы , то теперь рабочие температуры понижаются до — 200°С и даже — 270°С , т . е . почти до абсолютного нуля . Космическое пространство с его условиями вакуума , холода , радиации , а также ракетные криогенные жидкости (жидкий кислород , водород ) гелий и отвердевшие замороженные газы - вот примеры сред , в которых должны функционировать современные приборы электроники. Развитие в мире нового вида энергетики , основанного на промышленном использовании криогенного водородного топлива (газа , жидкой и твердой фазы ) вместо минерального топлива и электроэнергии , стремительное освоение космоса делают все более обычным внедрение криоэлек т ронных изделий в народное хозяйство . В заключение необходимо отметить , что развитие криоэлектроники , конечно , не приводит к замене существующих методов создания электронных приборов , а лишь расширяет возможности электронной техники , особенно там , где не требуется сверхминиатюрность , а высокие электрические параметры интегральных устройств являются определяющим фактором. Вывод Применение криогенных температур в электронике в промышленных масштабах началось в 50-х гг . ХХ в . в СССР , США и др . странах, когда были получены важные для радиоэлектроники практические результаты исследований низкотемпературных явлений в твердом теле и достигнуты успехи в области криогенной техники по разработке малогабаритных , экономичных и надежных систем охлаждения . Сущест в енную роль в развитие криоэлектроники сыграли потребности радиоастрономии и космической связи в радиотелескопах и земных станциях , обладающих высокочувствительными приемными трактами , с помощью которых можно было бы компенсировать затухания радиоволн при р аспространении на протяженных трассах . Применение криогенного оборудования позволило снизить собственные тепловые шумы входных цепей радиоэлектронных устройств , предназначенных для работы при малом отношении сигнал-шум . В СССР результатом комплексных иссл е дований свойств охлажденного твердого тела стало создание в 1967 системы земных станций космической связи "Орбита " для приема программ центрального телевидения через спутник связи "Молния " в диапазоне частот около 1 ГГц . В составе приемной аппаратуре зем н ых станций применялся многокаскадный широкополосный малошумящий параметрический усилитель , первые каскады которого охлаждались жидким азотом . Важным этапом в развитие криоэлектроники явились разработка в СССР первого в мире приемника субмиллиметрового диа п азона длин волн с гелиевым охлаждением и его успешные испытания в 1978 на борту научно-исследовательского комплекса "Салют -6" - "Союз -27". Установленный в 1979 на радиотелескопе АН СССР (РАТАН -600) криоэлектронный радиометр вывел этот радиотелескоп в разр я д одного из самых чувствительных в мире и позволил на порядок увеличить объем информации о радиоизлучении Галактики . В 1984-86 в процессе реализации многоцелевого международного проекта "Венера - комета Галлея " криоэлектронный параметрический усилитель в с оставе радиоприемной аппаратуры обеспечил прием с расстояния более 100 млн . км радиолокационного изображения планеты Венера и крупномасштабных телевизионных изображений кометы Галлея с космических аппаратов "Венера -15","Венера -16","Вега -1","Вега -2". Приложение Таблица № 1 Некоторые свойства веществ при криогенных температурах. Газы (« криогенные » ) Диэлектрики , параэлектрики , сегнетоэлектрики Полупроводники , полуметаллы , безщелевые и узкозонные полупроводники Нормальные металлы Сверхп роводники Ожижение азота Фазовые переходы Изменение подвижности и концентрации носителей Увеличение проводимости при Т << Q D Исчезновение активного сопротивления Отвердевание азота Аномальный рост e и изменения tg d у ионных кристалов вблизи температуры Кюри – Вейсса Ударная ионизация при k T < E i Эффекты шнурования тока Магнитно-диодный эффект Аномальный скин-эффект на СВЧ Спонтанное возникновение ферромагнетизма у металлов с низкими температурами Кюри Идеальный диамагнетизм , макроскопические эффекты Квантование магнитного потока Вихревая структура у сверхпроводников 2 рода и пленок Отвердевание кис-лорода , парамагнетизм кислорода Ожижение и отвердевание неона Возникновение спонтанного электрического дипольного момента Вымораживание примесей Образ ование примесных зон и явления перескока Наведенная сверхпроводимость Резонансные явления Изменение теплоемкости и теплопроводности Взаимодействие внешнего поля с энергентической щелью Реактивность поверхностного импеданса Критические параметры Скачки те плоемкости и теплопроводности Ожижение и отвердевание водорода Ожижение гелия Эффект «отрицательного сопротивления объема» Образование экситонов Появление проводимости в примесной зоне Сверхтекучесть гелия Рост подвижности Аномалии теплопроводности и теплоемкости Аномалия теплоемкости и теплопроводности Дисперсионные явления в ИК диапазоне Резонансные явления Магнитоплазменные волны , геликоны Квантовые осцилляции поверхностного импданса Поверхносная сверхпроводимость Аномалии распространения з вука в гелии Влияние нулевых колебаний Отклонение от закона Кюри-Вейсса Туннелевое прохождение Электронный парамагнитный , ядерный магнитный и циклотронный резонансы Неравновесная сверхпроводимость Генерация и детектирование фонов больших энергий Электр онный термомагнитный эффект Изменения границ поглощения ИК области Поглощение ИК волн «мелкими» примесными уровнями Аномалии эффектов , связанных с переносом зарядов (гальваномагнитный , термоэлектрический , гальванотермомагнитный ) Геликоны Уменьшение потерь Релаксационные механизмы при воздействии СВЧ облучений Увеличение электронов фононами Наведенная сверхпроводимость Явления "пиннинга " "Туннельный эффект " Образование "горячих носителей " и плазменных явлений Стационарный и не стационарный эффекты Джозефсона Электрокалорические явления Аномалии теплопроволности Сверхпроводимость при наличии давления Сверхпроводимость в вырожденных материалах Туннельные эффекты в пленочных структурах с диэлектрической прослойкой Инве рсии подвижности и типа проводимости Сверхпроводимость при наличии большого давления Охлаждение ультразвуком Нелинейные явления в слабосвязанных сверхпроводниках (Рис . 1) Типы возможных структур и интегральных устройс тв на основе контактов сверхпроводниковых материалов с полупроводниками : У С Т Р О Й С Т В А С Т Р У К Т У Р Ы (Рис .2) Криоэлектронные приборы и устройства используются в различных областях электроники , метрологии и стандартизации , для создания в ычислительной техники , в интересах обороны , освоения космического пространства и радиоастрономии , а также других отраслей промышленности , морского флота , сельского хозяйства , геологии. Космическая связь , локация и наведение кораблей , поиск и обнаружение те плоизлучающих объектов , дистанционное измерение температур , спектральный анализ атмосферы планет , тепловидение в медицине , промышленности и геологии - все эти задачи может успешно решать криоэлетронная техника. ******** Здесь было два рисунка (американс кий спутник и криогенная лаборатория )********** (Рис . 3) Металлические гелиевые криостаты Криостат ( от крио… и греч . Statos – стоящий , неподвижный ), термостат , рабочий объем которого поддерживается при криогенных температурах за счет постороннего источника холода . Обычно в качестве источника холода (хладагента ) применяют сжиженные или отвержденные газы с низкими температурами конденсации ( азот , водород , гелий и др .). По уров н ю поддерживаемой температуры и роду используемого хладагента различают криостат гелиевого , водородного и азотного уровней охлаждения . Температуру помещенного в криостат объекта регулируют изменением давления паров хладагента либо с помощью системы терморе г улирования , установленной между источником холода и объектом. (Рис . 4) Сверхпроводящий криоэлектронный резонатор -резонатор с высоким значением добротности (до 10 11 ) Список литературы 1. Алфеев В.Н . "Радиотехника низких температур ", М ., 1966г. 2. Алфеев В.Н . "Полупроводники , сверхпроводники и параэлектрики в криоэлектронике ", М ., 1979г. 3. "Больша я советская энциклопедия ", М ., 1985г. 4. Вендак О.Г ., Гарин Ю.Н . "Криогенная электроника , М ., 1977г. 5. Губанков В.Н . "Итоги науки и техники , серия радиоэлектроника , т .38", М ., 1987г. 6. Джалли У.П . "Криоэлектроника ", М ., 1975г. 7. " Криогеника ", М ., 1 986г. 8. Интернет : сервер NASA ( www . nasa . gov ) 9. " Электроника : Энциклопедический словарь ", М ., 1991г.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
- Джон, твоя жена трансвестит?!
- Да, Билл, а что?
- Предупреждать надо, вот что!
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по радиоэлектронике "История развития криоэлектроники", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru