Кріоелектроніка Історія розвитку

Кріоелектроніка. Історія розвитку

Введення

Кріогенна (від грецького "Кріос" - холод, мороз) електроніка, або Кріоелектроніка - напрям електроніки, що охоплює дослідження при кріогенних температурах (нижче 120 К) специфічних ефектів взаємодії електромагнітного поля з носіями зарядів в твердому тілі і створення електронних приладів і пристроїв, що працюють на основі цих ефектів, - кріоелектронних приладів.

Кріоелектроніка - одна з основних і дуже перспективних галузей науки. Її інтенсивному розвитку сприяли, з одного боку, широкі дослідження явищ, що відбуваються в твердому тілі при низьких температурах, і практичне застосування отриманих результатів у різних галузях радіоелектроніки (в першу чергу, в космічній радіоелектроніки), а з іншого - певні досягнення кріогенної техніки, що дозволили на підставі як нових, так і раніше відомих принципів розробити економічні, малогабаритні і надійні системи охолодження.

Значним стимулом до розвитку Кріоелектроніка послужило також і те важлива обставина, що при створенні сучасних електронних пристроїв - високочутливої ​​радіоприймальної апаратури, швидкодіючих електронних обчислювальних машин та ін - конструктори підійшли буквально до межі можливостей радіоелектроніки, принципово досяжному у звичайному інтервалі температур. Використання низьких температур дозволяє подолати цю перешкоду і відкриває нові шляхи в розробці радіоелектронних систем.

По-перше, глибоке охолодження сприяє значному поліпшенню технічних і економічних параметрів радіоелектронних пристроїв - переваги компактних надпровідних запам'ятовувальних пристроїв великої ємності та швидкодії для ЕОМ, надпровідних магнітів та іншої апаратури незаперечні. По-друге, виникають в умовах глибокого охолодження явища, які притаманні тільки такого стану речовини, дозволяють створювати принципово нові прилади. Саме так, наприклад, був сконструйований мазер, успішно використовується в супутникових системах зв'язку, радіоастрономії і т. д.

Кріоелектроніка вивчає особливості поведінки радіоелектронних компонентів і матеріалів при дуже низьких температурах (0 - 20 К), зокрема такі незвичайні явища, як надпровідність.

Для робіт в області Кріоелектроніка характерний великий розмах лабораторних досліджень. Показовими є роботи по створенню надпровідних накопичувачів енергії великої ємності. Призначені спочатку для бульбашкових камер, надпровідні накопичувачі енергії також успішно застосовуються в якості генераторів накачування для потужних лазерів та іншої радіотехнічної апаратури. Виходять зі стін лабораторій надпровідні лінії затримки різного призначення, кріоелектронние запам'ятовуючі пристрої, охолоджувані підсилювачі і т. д.

Оскільки Кріоелектроніка виникла на стику кількох різних наукових напрямів, перші публікації в цій області були пов'язані з традиційними напрямами. Проте вже з початку 60-х років починають з'являтися спеціальні видання, повністю присвячені Кріоелектроніка, і перші монографії.

Історичні аспекти Кріоелектроніка

Питання про мінімально можливій температурі вперше привернув увагу дослідників ще близько ста років тому. Нині охолодження до низьких температур широко використовується на практиці в різного роду пристроях і системах, особливо в радіоелектронній апаратурі. Це стало можливим завдяки успішному вирішенню проблеми скраплення газів.

Хоча багато гази зріджується порівняно легко, спочатку вважалося, що деякі газоподібні речовини при будь-яких умовах зберігають свій стан незмінним. Однак у другій половині XIX ст. вчені домоглися певних успіхів у дослідженні проблеми переходу речовин з газоподібного стану в рідкий. Зокрема, було встановлено, що кожен газ характеризується деякою критичної температурою, вище якої його неможливо скраплювати тільки шляхом підвищення тиску. У 1898 р. вперше був отриманий рідкий газ (водень), а в 1908 р. голландський фізик Камерлінг-Оннес здійснив зріджування гелію, завершивши тим самим перший етап робіт зі зрідження газів.

У наступні десятиріччя почалося швидке розвиток методів використання нових кріогенних рідин - зріджених газів у фундаментальних наукових дослідженнях у промисловості. Від лабораторних експериментів, які, до речі, привели до відкриття явища надпровідності, перейшли до виробництва зріджених газів у промислових масштабах. Їх стали випускати тоннами з сумішей газів, наприклад повітря (розділяючи його на складові - кисень, азот і інертні гази).

Суто науковий інтерес і потреби промисловості стимулювали дослідження фізичних властивостей матеріалів при глибокому охолодженні. Такого роду дослідження виявилися особливо важливими для радіоелектроніки, де в 40 - 50-х роках з'явилося багато нових матеріалів, зокрема напівпровідників. Десятиліттям пізніше інтерес фахівців з радіоелектроніки до використання кріогенних рідин ще більше зріс. З їх допомогою вдалося поліпшити параметри (зокрема, підвищити чутливість) звичайних радіотехнічних схем і створити принципово нові радіоелектронні пристрої, наприклад мазер.

Найбільш поширені охолодні агенти (кріогени) при нормальному атмосферному тиску мають такі температури кипіння: He - 4 K; H - 20 К; N - 77 К; О - 90 К; CO ₂ - 195 K (сімблірует).

Чіткого і однозначного визначення інтервалу кріогенних (низьких) температур немає, але найчастіше його обмежують областю, що тягнеться приблизно від 100 К до абсолютного куля (0 К). Іноді особливо виділяється інтервал 20 - 0 K, званий інтервалом гіперкріогенних (наднизьких) температур. Більшість кріогенних систем, що використовуються в радіоелектроніці, працює при нормальній температурі кипіння рідкого гелію, тобто приблизно при 4 К.

Однією з найважливіших проблем сучасної електроніки вважається проблема зменшення ступеня невпорядкованості структури речовини. Для цієї мети застосовується глибоке охолодження.

Матеріали, застосовувані в електроніці, зазвичай оцінюють з точки зору упорядкованості їх хімічної (чистоти) і геометричної (кристалічної) структури, а також упорядкованості руху частинок речовини (температури). Будь-які чинники, що викликають відхилення в русі носіїв заряду між двома точками, зменшують ефективну силу струму. Всякого роду невпорядкованість структури сприяє таким отклонениям, збільшуючи тим самим електричний опір матеріалу. У складних електронних системах потрібно, щоб електричний сигнал заданої форми проходив через матеріал без спотворення. Проте невпорядкованість структури матеріалу призводить до зменшення амплітуди сигналу і зміни його форми, так як її вплив носить випадковий характер. Наприклад, плавне синусоїдальну коливання стає спотвореним, нерівним, і в системі виникають небажані сигнали (перешкоди).

Подивимося, як різні типи невпорядкованості структури провідника впливають на його питомий опір.

Порушення хімічної структури, обумовленого присутністю навіть незначної кількості домішки, досить, щоб помітно збільшити удільне опір металевого провідника. Так, додавання до міді 0,1% фосфору призводить до зменшення її провідності приблизно на 50%, тоді як введення 1% кадмію (для отримання сплаву більшої механічної міцності) зменшує його провідність лише трохи більше ніж на 10%.

У хімічно чистому матеріалі геометричний порядок його внутрішньої структури може бути порушений за рахунок залишкових напруг (деформацій), що виникли при механічній обробці. Тому після холодної протяжки питомий опір міді зазвичай зростає на кілька відсотків. Подібні порушення фізичної упорядкованості, зумовлені залишковими напругами, можна усунути або, принаймні, зменшити шляхом відпалу матеріалу. Вплив різних типів геометричній упорядкованості особливо помітно в несиметричних кристалах, наприклад в цинку, де різниця в питомому опорі для двох взаємно перпендикулярних напрямів в кристалічній решітці досягає 4%.

Взаємозв'язок хімічної та геометричній упорядкованості ми можемо спостерігати в експериментах з отримання сплавів міді з золотом. При збільшенні концентрації золота удільне опір випадкової суміші зростає. Але якщо випадкову суміш, що містить близько 25% золота, отжигать протягом тривалого часу, то виявляється тенденція до перегрупування атомів в впорядковану структуру сплаву Cu ₃ Au. Питомий опір різко падає, хоча і залишається вище, ніж у чистої міді.

Говорячи про Кріоелектроніка, основну увагу слід приділити кінетичної впорядкованості (упорядкованості руху) частинок, оскільки зниження температури зазвичай дозволяє звести цю невпорядкованість до мінімуму. У провіднику кінетичний безладдя пов'язаний з випадковим рухом вільних електронів, а в будь-якому твердому тілі він обумовлений тепловими коливаннями атомів в кристалічній решітці. При низьких температурах обидва типи невпорядкованості значно зменшуються.

В деякому відношенні теплове коливання атомів у твердому тілі можна розглядати як своєрідне порушення геометричного порядку, оскільки в результаті таких коливань порушується регулярний крок кристалічної решітки. Як показав де Бройль, руху кожного атома кристалічної решітки можна приписати певні хвильові властивості. Таким чином, в будь-якому твердому тілі існують пружні хвилі, що поширюються зі швидкістю звуку. Ці хвилі є хіба локалізовані, зосереджені пакети (кванти) теплової енергії, подібно до того, як фотони є локалізованими пакетами електромагнітної енергії. Кванти теплової енергії називаються фононами; як і фотон, кожен фонон характеризується енергією hf (де f - частота, що відповідає довжині хвилі фонона) і кількістю руху (імпульсом). У певних випадках фонон зручно розглядати як частку.

Таким чином, можна вважати, що тверде тіло містить хаотично, безладно переміщаються фонони різних енергій, які соударяются з рухомими носіями заряду, що створюють в матеріалі електричний струм. При зниженні температури число таких фононів в матеріалі зменшується, і тому його питомий опір падає. Фонони грають у речовині певну позитивну роль: в процесі рекомбінації електронно-діркової пари вони забезпечують збереження кількості руху, завдяки чому стає можливим процес рекомбінаційної люмінесценції.

Напівпровідники, використовувані в електроніці, зазвичай мають дуже високий ступінь хімічної (а часто ще й геометричній) упорядкованості. Низька температура дозволяє значно зменшити в них небажаний власний струм, але для іонізації атомів і, отже, утворення вільних носіїв, як правило, необхідна певна кількість теплової енергії. Точно так само, щоб звести до мінімуму шуми електронної лампи (тобто забезпечити безперешкодний рух електронів від катода до аноду), необхідно забезпечити належну геометрію провідників у її управляючих сітках. Але в той же час загальновідомо, що для нормальної роботи лампи катод повинен бути розігрітий до високої температури, а тому струм емісії характеризується високим ступенем кінетичної невпорядкованості, яка і обумовлює шуми.

Однак найбільш цікаві і потенційно важливі особливості радіоелектроніки низьких температур зводяться до винятковим, тонким ситуацій, які виникають тільки тоді, коли невпорядкованість звичайних типів зведена до мінімуму.

У надпровідниках між парами електронів існує особливий вид упорядкованості, завдяки цьому опір матеріалу стає рівним нулю і всередині нього не виникає магнітного поля. Але якщо температура матеріалу досить висока, фонони руйнують ці впорядковані пари електронів і надпровідний стан зникає. Аналогічним чином упорядкований стан порушується і матеріал повертається в нормальний стан і тоді, коли щільність струму чи напруженість зовнішнього магнітного поля перевищить критичне значення.

У Мазері особлива форма упорядкованості проявляється в тому, що на більш високому з двох енергетичних рівнів перебуває значно більше атомів, ніж на більш низькому. Однак ця нестійка форма рівноваги швидко порушується через теплової невпорядкованості, після чого знову відновлюється нормальне рівноважний стан, при якому переважають атоми з низькими енергіями. Необхідну стан нестійкої рівноваги можна забезпечити лише шляхом подачі в систему енергії ззовні, причому кількість цієї енергії тим менше, чим нижче температура.

Принципи, на яких грунтуються надпровідні і лазерні системи, відомі понад півстоліття, але тільки в останні десятиліття вони отримали широке технічне розвиток. Мазер використовувався у сучасних системах радіозв'язку, був досягнутий значний прогрес в області застосування надпровідників у різних радіоелектронних системах і пристроях: великих електронно-обчислювальних машинах, великих електродвигунах і генераторах, електромагнітах, трансформаторах і лініях передач електроенергії. Відкриття, на кшталт ефекту Джозефсона, також знайшли своє застосування в області дуже низьких температур, де безладні теплові обурення настільки малі, що стає можливим спостерігати і використовувати дуже тонкі, ледь вловимі явища.

В останні десятиліття все ширше розгорталися роботи зі створення нових електронних приладів і складних систем, заснованих на властивостях твердого тіла при кріогенних температурах. Цьому сприяють не тільки успіхи у фізиці низьких температур і техніці глибокого охолодження, але і поява нових проблем, які не вирішуються іншими методами. Кріоелектроніка охоплює широке коло питань: від взаємодії електромагнітних хвиль з твердим тілом при сильному ослабленні теплових коливань решітки до методів охолодження і конструювання кріоелектронних автономних приладів з корпусом-кріостата.

Основні напрями Кріоелектроніка

Кожне новий напрям у науці і техніці має свою історію розвитку. Є своя історія і в Кріоелектроніка, яка з перших же кроків відкрила шляху створення принципово нових приладів. Явища фізики твердого тіла при низьких температурах, що дають доступ до глибинних квантовим властивостями речовини в конденсованому стані, спільно з явищами фізики низьких температур, що виділилася в самостійну науку, склали наукову базу Кріоелектроніка. Хоча слово "Кріос" означає просто "холод", кріогенними прийнято вважати лише ті температури, при яких теплові коливання решітки речовини сильно ослаблюються і в речовинах проявлятися далекий порядок і ефекти, замасковані тепловим рухом частинок при звичайних температурах. Це і призводить, зрештою, до тих дивовижним особливостям надпровідників, у яких квантові ефекти виявляються в макроскопічних масштабах, а також до цілого ряду якісно нових явищ і ефектів в інших матеріалах. Область кріогенних температур, при яких чотири газу (азот, неон, водень і гелій) перетворюються на кріогенні рідини, можна умовно розділити на чотири температурні зони: азотну (80 К), неонову (27 К), водневу (20 К) і гелієву ( ~ 4,2 К). Температури багато нижче точки кипіння рідкого гелію виділялися в окрему область "наднизьких" температур, причому багато ефекти в твердому тілі є характерними лише для цієї, поки що екзотичної області.

Якщо спробувати звести в одну таблицю деякі властивості діелектриків, напівпровідників, полуметаллов, безщільна і вузькозонних напівпровідників, нормальних металів і надпровідників, які спостерігаються при кріогенних температурах, то ця умовна таблиця має наступний вигляд. У таблицю (див. Додаток) включені, в основному, властивості, на основі яких розпочато чи очікується створення принципово нових кріоелектронних приладів. Дуже значним буде перелік нових відкриттів і ефектів при кріогенних температурах, на основі яких ще не створено жодного прилад, але їх реалізація в електроніці може дати багато корисного і несподіваного.

Звичайно, деколи важко провести чітку межу між низькотемпературними і високотемпературними явищами в окремих матеріалах, тому в таких випадках в табл. 1 маються на увазі ті матеріали, які без охолодження практично незастосовні (напівметали, вузькозонних напівпровідників та ін.) Принцип побудови таблиці. 1 підказує принципи розподілу Кріоелектроніка на напрями відповідно до типу застосовуваного матеріалу: наприклад, надпровідникової Кріоелектроніка на основі надпровідників, напівпровідникова Кріоелектроніка на основі охолоджених напівпровідників і полуметаллов і т. д. Так це сталося зі надпровідникової приладами, ніби відокремилися від приладів на базі інших матеріалів в силу фундаментальності явища надпровідності. Однак можливий і інший принцип, що пробиває собі дорогу: по виконуваних кріоелектроннимі приладами функцій, по діапазонах частот, з технологічних методам, покладеним в основу виготовлення приладу.

Всі кріоелектронние прилади в залежності від температури охолодження, застосовуваних матеріалів і явищ у них можуть бути розділені на вироби (прилади) азотного, неонового, водневого та гелієвого рівнів охолодження. Рівень охолодження багато в чому визначає параметри і області застосування кріоелектронних виробів.

Ще в 40-х роках були зроблені спроби створити високочутливі, "нешумящіе" приймачі для індикації слабкого теплового випромінювання в ІЧ діапазоні.

Так, з'явилися вугільний болометр, охолоджуваний до температури рідкого гелію, болометр на основі p-Ge, легованого гелієм, що працює при 2,15 К, а потім надпровідний прийомний елемент на основі тонкої фольги з нітриду ніобію.

Були створені перші перемикачі з надпровідним соленоїдом.

У 1954 р. сталася велика подія: Бакке запропонував принципово новий електронний прилад і дав йому ім'я "кріотрон". Слідом за цим приладом на базі механізму виникнення негативного опору в напівпровідниковому кристалі, охолодженому до такої міри, що домішки в ньому були "виморожени", був запропонований ще один новий прилад - "кріосар".

Проблема використання квантових резонансних властивостей твердого тіла при низьких температурах для прийому надслабких НВЧ сигналів призвела до створення квантових парамагнітних підсилювачів (мазеров). Мазери з'явилися незабаром після того, як М. Г. Басов і А. М. Прохоров запропонували так званий "трирівневий метод" (метод "накачування") створення надлишкової населеності верхнього енергетичного рівня, необхідний для отримання ефекту "негативного поглинання", а Н. Бломберг запропонував використовувати як активного речовини для таких мазеров парамагнітні кристали, що знаходяться при гелієвих температурах. Незабаром А. М. Прохоровим, Н. В. Карловим, А. А. Маненковим і ін були створені резонаторні парамагнітні СВЧ підсилювачі, за допомогою яких була продемонстрована перспективність комплексного використання двох кріоелектронних матеріалів: парамагнетиків і надпровідників. В. Б. Штейншлейгером, Г. С. Місежніковим і ін були розроблені мазери біжучої хвилі, в яких кріоелектронние елементи захисту входу підсилювача були побудовані на напівпровідниках. Роботи з дослідження вироджених і невироджених р-n переходів при низьких температурах, широко відомі роботи з фізики низьких температур в Інституті фізичних проблем, Фізичному інституті АН СРСР, Інституту радіотехніки й електроніки, Фізико-технічному інституті АН СРСР, роботи українських фізиків проклали дорогу електроніці до нових явищ, що виникають при сильному ослабленні теплових коливань решітки.

У 1963 р. в СРСР вийшов у світ перший науково-технічний збірник по охолоджуваним електронних приладів і складних пристроїв в корпусі-криостате. Слідом за ним в 1964 р. в США групою у складі Т. Шмідта та ін був також випущений збірник, в назві якого вперше було надруковано "кріогенна електроніка". Якщо до цього застосовувалися різні терміни: "радіотехніка низьких температур", "кріотроніка", "радіоелектроніка наднизьких температур" та інші, то тепер становище змінилося. Стало ясно, що назріла пора оформлення нового перспективного напряму електроніки, заснованого на надпровідності і інших явищах в твердому тілі при кріогенних температурах, якому остаточно присвоїли назву "Кріоелектроніка" або "кріогенна електроніка". У спробах заглянути в майбутнє Кріоелектроніка, зроблених за останні 15 років у ряді оглядових і проблемних робіт, можна виділити два великих етапи. Перший етап відноситься до 1962 - 1966 рр.., Коли в СРСР і США з'явилися оптимістичні прогнози невдовзі після розробки дискретних кріоелектронних приладів: кріотрон плівкових схем, детекторів ІЧ діапазону і НВЧ підсилювачів на охолоджених напівпровідникових структурах з р-n переходом. Цьому етапу передувало створення мікроскопічної теорії надпровідності, встановлення її зв'язку з феноменологічної теорією Гінзбурга-Ландау (ГЛ), відкриття квантових макроскопічних явищ, включаючи відкриття ефекту Джозефсона, синтез нових надпровідних матеріалів та розробка квантових парамагнітних НВЧ підсилювачів з надпровідним соленоїдом в гелієвій криостате.

Другий етап прогнозів (1969 - 1973 рр..) Був стимульований розвитком технології напівпровідникової мікроелектроніки, створенням працездатних надпровідних тунельних, мостікових переходів на ефекті Джозефсона, структур на вузькозонних з'єднаннях (InSb, InAs) і твердих розчинах (BiSb, CdHgTe, PbSnTe), а також нелінійних кристалів-параелектріков, які не переходять в сегнетоелектричних фазу при низьких температурах (SrTiO _3), і сегнетоелектриків з низькою температурою Кюрі-Вейсса. Аналіз робіт по Кріоелектроніка за останні 10 - 15 років показує, що основні ідеї цих прогнозів підтвердилися, хоча величезні успіхи мікроелектроніки, відкриваючи нові технологічні можливості, в ряді випадків поставили під сумнів доцільність широкого застосування деяких кріоелектронних приладів, наприклад, плівкових кріотронів. Кріоелектроніка стала залучати не лише дослідників, що працюють в галузі електроніки, а й фахівців з фізики твердого тіла, які раніше електронними приладами не захоплювалися, фахівців-"комплексніков", які раніше прагнули за всяку ціну позбутися від необхідності впровадження кріогенних елементів в апаратуру, фахівців в області космонавтики та астрономії.

Це багато в чому пояснюється успіхами космічної кріогенної техніки і тим, що з кожним п'ятиріччям все глибше в усі сфери життя людини проникають кошти ІК діапазону хвиль. Дійсно, в наші дні важко вказати область науки і техніки, в якій не застосовувалися б інфрачервоні пристрої. Специфічні особливості ІК випромінювання як носія інформації ставлять його в один ряд зі світлом і радіовипромінювання. Оскільки теплове випромінювання тіл пов'язано безпосередньо з їх термодинамічних станом, воно містить повні відомості про температуру джерела. Крім того, спектральний склад випромінювання залежить від матеріалу поверхні і виду випромінюваних різними тілами частинок, наприклад газів. Тому він несе в собі інформацію про речовину та стан поверхні джерела випромінювання. Ці якості ІК випромінювання, що дозволяють виявляти внутрішні властивості об'єктів і спостерігати глибинні процеси, що протікають в них, сприяють залученню його для вирішення таких завдань, в яких отримати зазначену інформацію за допомогою інших сигналів не вдається. Особливо помітний зсув в розвитку кріоелектронной ПК техніки був зроблений у зв'язку з винаходом охолоджуваних твердотільних лазерів ІК діапазону і освоєнням космічного простору. Цей зсув був викликаний ще й тим, що в космосі є ідеальні умови для поширення ІК випромінювання та порівняно однорідний фон неба, відсутня поглинаюча і розсіююча середовище, і є умови для використання природного охолодження прийомних елементів за рахунок теплової радіації або за рахунок застосування отверділих газів.

Космічна зв'язок, локація і наведення кораблів, пошук і виявлення тепловипромінюючих об'єктів, дистанційне вимір температур, спектральний аналіз атмосфери планет, теплобачення в медицині, промисловості та геології - все це нові завдання, вирішувати які покликана кріоелектронная техніка ІК діапазону. Інший напрямок, що викликало появу нових засобів і кріоелектронних приладів, - це дистанційні дослідження природних ресурсів Землі та планет у всьому спектрі ІК хвиль: від ближнього ІК до субміліметрового діапазону.

Інфрачервоні системи дистанційного зондування розвиваються настільки стрімко, що майже всі галузі народного господарства, включаючи промисловість, морський флот, сільське господарство, геологію отримуватимуть все більше відчутної користі від впровадження цих систем. Не менш швидко розвиваються космічні радіотелескопи, як автоматичні, так і обслуговуються космонавтами. Для того щоб ці телескопи, що дозволяють вивчати об'єкти у найменш доступних з поверхні Землі далекому ІК діапазоні і ділянці субміліметрових хвиль, могли тривалий час працювати в космосі, їх кріоелектронная приймальня частина повинна представляти єдине ціле з кріогенної установкою замкнутого циклу. Зовсім недавно бортова кріогенна установка навіть азотного рівня охолодження була мрією, а тепер при польоті орбітального науково-дослідного комплексу "Салют-6" - "Союз-27" на борту станції вже успішно працювала кріогенна установка, що забезпечує отримання температури 4,2 К для кріоелектронного приймача субміліметрового діапазону хвиль. Проведення космонавтами Ю. Романенко та Г. Гречко випробування уперше створеної вченими Фізичного інституту АН СРСР і радянськими фахівцями з мікрокріогенной техніці малогабаритної кріоелектронной приймальної системи гелієвого рівня, включення, юстирування та здійснення вимірювань на телескопі відкрили нову сторінку в Кріоелектроніка. Потужним додатковим поштовхом послужили запуски не тільки на еліптичні, але і на стаціонарні орбіти супутників-ретрансляторів, що дозволили створити в багатьох країнах супутникові системи зв'язку та телебачення і почати просування робочих частот супутникових систем в область все більш високих частот, включаючи діапазон міліметрових хвиль і, в перспективі, далекий ІЧ діапазон. Енергетичний голод змусив людство терміново шукати нові джерела енергії, і погляди звернулися до криогенному газу - водню, що є прекрасним паливом, - назріла пора водневої енергетики. Кріоенергетіка, кріобіологія, кріохімія, кріомедицина стрімко виникали, посилюючи загальну тенденцію до використання в техніці властивостей речовин при низьких температурах.

У міру того, як в радіоелектроніці назрівав корінний поворот, обумовлений розвитком технологічної бази мікроелектроніки, це потяг до низьких температур охопило і мікроелектронний апаратобудування. Одна за одною виникали нові проблеми, вирішення яких відомими методами інтегральних схем при звичайних температурах було в принципі неможливо або настільки утруднене, що їх практична реалізація ставилася під сумнів. У той же час одне за іншим слідували відкриття нових явищ в плівкових структурах при низьких температурах, не реалізованих у мікроелектроніці. Однак Кріоелектроніка все-таки розвивалася не так швидко, як інші гілки мікроелектроніки. Причин, які гальмували її розвиток, було чимало, насамперед: недостатня вивченість електронних процесів в охолоджених структурах і плівках на базі твердого тіла, недостатність реальних конструкторсько-технологічних ідей зі створення інтегральних електронних приладів на основі цих процесів і особливо надійних, відтворюваних багатоелементних, багатошарових інтегральних схем з субмікронними зазорами, а також практичних методів зниження питомої ваги витрат на охолодження інтегральних приладів до рівня витрат на звичайне термостатування і збільшення терміну безперервної дії охолоджених пристроїв. Тому Кріоелектроніка є комплексною галуззю знань і включає кілька основних напрямків:

• кріоелектронное матеріалознавство;

• СВЧ Кріоелектроніка на об'ємних компонентах;

• надпровідникової Кріоелектроніка;

• кріоелектронную ІК техніку;

• інтегральну Кріоелектроніка;

• техніку криостатирования.

Розглянемо основні з даних напрямків. Кріоелектронное матеріалознавство охоплює вивчення електронних і магнітних явищ в охолоджених твердих тілах, в тому числі і в отверділих газах, розробку технології та синтез нових матеріалів із заданими властивостями в області кріогенних температур з метою створення нових дискретних кріоелектронних елементів, функціональних радіоелектронних приладів і мікроохладітелей.

СВЧ Кріоелектроніка включає створення нового класу мікроприладів: охолоджуваних параметричних і транзисторних підсилювачів, змішувачів, детекторів і складних багатофункціональних прийомних модулів на об'ємних надпровідних, напівпровідникових та інших компонентах, які представляють поєднання фільтрів, підсилювачів, циркуляторов, конструктивно об'єднаних в одній оболонці - криостате і пов'язаних з кріогенної установкою. СВЧ Кріоелектроніка на об'ємних компонентах є великим комплексним напрямом і охоплює досить широке коло завдань: від технології створення активних і пасивних СВЧ елементів до розробки функціональних приладів та складних прийомних модулів, що є, по суті, самостійними радіоприймальними пристроями.

Надпровідникової Кріоелектроніка, що почалася з створення кріотрон, розвивалася по шляху розробки дискретних приладів, заснованих на надпровідності, з унікальними характеристиками: надпровідних НВЧ резонаторів з добротністю до 10 ^9, СВЧ ліній затримки і коаксіальних кабелів, практично не мають втрат, потужних мікромагнітов. Визначним досягненням стало створення на основі ефекту Джозефсона надпровідних магнітометрів, що володіють недосяжними перш параметрами, індикаторів надмалих напруг і струмів, а також детекторів субміліметрового діапазону хвиль.

Кріоелектронная ІК техніка спочатку теж включала дискретні елементи: охолоджувані теплові ІК приймачі (болометри), спектральний діапазон яких залежить від характеристик оптичних фільтрів, і фотонні, селективні, ІК приймачі, засновані на застосуванні власних вузькозонних і домішкових напівпровідників, фоторезистивной і фотовольтіческіх властивостей охолоджених структур в різних ділянках ІК діапазону.

Потік відкриттів та ідей у фізиці низьких температур, фізики тонких плівок, впавши після створення мікроскопічної теорії надпровідності та синтезу низькотемпературних матеріалів, успіхи технології розкрили двері і новий світ. Симбіоз новітньої технології - мікроелектроніки з фізичними принципами і матеріалами Кріоелектроніка привів до переходу від дискретного унікального кріопрібора до інтегрального кріоелектронному модулю, тобто до інтегральної Кріоелектроніка. Народилися новітні напрями інтегральної Кріоелектроніка зі своїми проблемами і перспективами, з яких найбільший розвиток отримують:

• інтегральна Кріоелектроніка ІК діапазону (прилади із зарядовим зв'язком, багатоелементні ІК приймачі, ІК лазери та ін);

• інтегральна СВЧ Кріоелектроніка (інтегральні схеми НВЧ підсилювачів, циркуляторов, фільтрів, змішувачів тощо);

• інтегральна Кріоелектроніка на основі слабосвязанних надпровідників для обчислювальної техніки (інтегральні схеми логіки й пам'яті).

Значне збільшення питомої ваги робіт за інтегральною Кріоелектроніка відображає суть нового етапу у розвитку Кріоелектроніка, обумовленого успіхами технології плівкових і напівпровідникових схем мікроелектроніки. Використання досягнень технології виготовлення інтегральних схем в Кріоелектроніка відкрило шляхи комплексної мікромініатюризації низки електронної приймальні апаратури при одночасному якісному поліпшенні її основних параметрів. Такому стану сприяють глибинні процеси, що відбуваються в електроніці:

• інтеграція великого числа елементів в одному кріостатіруемом корпусі;

• створення багатокомпонентних гетероструктур, в тому числі на основі вузькозонних матеріалів;

• інтеграція явищ, функцій і різнорідних матеріалів в одній структурі на основі контактів надпровідник - напівпровідник, параелектрік - надпровідник;

• застосування кріогенної технології (кріонасосов, кріогенного охолодження підкладок, охолодження хімічних речовин для проведення унікальних реакцій методом тунелювання при низьких температурах) для створення кріоелектронних елементів.

Зникнення активного опору в надпровідниках при кріогенних температурах в широкому спектрі частот дозволяє практично повністю усунути теплові втрати, підвищити ККД елементів і створити резонатори з добротністю до 10 ⁸ - ¹⁰ грудня замість 10 ³ - 10 ⁴ на частотах аж до 10 - 30 Ггц. На основі ефекту Джозефсона і явищ в контактах надпровідник - напівпровідник можуть бути розроблені високочутливі датчики, що вимірюють напруги 10 ^-16 В, відеодетектор міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль з чутливістю 10 ^-15 Вт / Гц ^{1 / 2,} тонкоплівкові інтегральні схеми пам'яті та логіки з швидкодією 10 ^-11 с, працюють майже без виділення тепла, магнітометри з чутливістю на 5 порядків вище, ніж у найкращих відомих приладів.

Виморожування домішки в напівпровіднику при зменшенні теплової енергії грати нижче енергії іонізації домішки, усунення власної провідності в вузькозонних напівпровідниках, струмів термоелектронної емісії у бар'єрах Шоттки за рахунок охолодження відкривають шляхи для прийому випромінювань в недоступних кремнієвим фотодіоди та ПЗС ділянках спектра, аж до далекого ІК діапазону. Кремнієві ПЗЗ з бар'єрами Шоттки при азотних температурах охоплюють діапазон до 3,5 мкм, ПЗЗ на основі InSb і кремнієві ПЗЗ, леговані In, до 3 - 5 мкм, гібридні ПЗЗ із застосуванням HgCdTe, PbSnTe мають у далекому ІЧ діапазоні порогову чутливість, приведену до одиничної фотоприймальні майданчику 1 см ^2, при азотних температурах порядку 10 ^-10 - 10 ^-11 Вт / Гц ^{1 / 2,} якщо відношення сигнал / шум одно 1. Глибоке охолодження решітки твердого тіла приводить до значного зменшення теплових шумів, які є принциповим обмеженням при підвищенні чутливості електронних приладів, особливо в НВЧ і ІК діапазонах. Шумова температура охолоджених напівпровідникових підсилювачів може досягати 5 - 20 К в широкому діапазоні частот, а шумова температура змішувача на контакті напівпровідник - надпровідник на частотах ~ 10 ¹⁰ Гц становить при гелієвих температурах рекордно малу величину - близько 13 К, гетеродинний приймач лазерного випромінювання має при 77 До чутливість близько 10 ²⁰ Вт / Гц ^{1 / 2} в ІК діапазоні.

Інтенсивний розвиток інтегральної Кріоелектроніка тісно пов'язане зі створенням криостатов з рідким і твердим хладоагентом і мікрокріогенних систем із замкнутим циклом, не вимагають періодичного поповнення рідким або газоподібним хладоагентом. Створення криостатов з охолоджувачами типу Макмагона - Джиффорд дозволило надійно освоїти діапазон на стику водневих і гелієвих температур, з'явилися мікрокріогенние системи гелієвого рівня. Кріостати з дросельними мікроохладітелямі після застосування в них газових сумішей стають конкурентоспроможними порівняно з іншими системами. Починається впровадження гібридних електронних охолоджувачів на основі ефектів Пельтьє, Еттінгсгаузена. Суттєвою особливістю цих охолоджувачів є слабка залежність відносного термодинамічної ККД від холодопродуктивності, у той час як відповідний коефіцієнт газових машинних охолоджувачів різко знижується при зменшенні холодопродуктивності. Таким чином, можна буде зняти обмеження з мінімально досяжною холодопродуктивності, що, в свою чергу, зменшує розміри всієї охолоджувальної системи. Саме в області кріогенних систем малої холодопродуктивності електронне криостатирования, в завдання якого входить створення кріогенних твердотільних електронних мікроохладітелей на різні рівні температур аж до наднизьких, буде, мабуть, найбільш конкурентоспроможним. Інтегральна Кріоелектроніка дозволить надалі об'єднати в одному твердотільному модулі електронну охолоджувану схему з електронним охолоджувачем, що є способом створення повністю твердотільних кріоелектронних інтегральних схем. У такій незвичайній схемі охолоджувальна частина також може бути виконана методами інтегральної технології і мати один і той же джерело живлення. При цьому попереднє охолодження може здійснюватися не електронними методами, що важливо для розробки мікроелектронних систем з великим ступенем інтеграції, наприклад антенних фазованих решіток.

Розвиток інтегральної Кріоелектроніка як нової галузі мікроелектронної техніки безупинно ставить перед дослідниками нові завдання:

• створення електронних приладів з принципово новими властивостями на основі відкритих фізичних низькотемпературних явищ шляхом використання технології інтегральних напівпровідникових схем;

• зміна фізичних властивостей структур за рахунок глибокого охолодження для отримання принципово нового приладу;

• створення нових конструктивних і технологічних методів з метою поєднання в одному електронному функціональному модулі властивостей кріоелектронного приладу і мікроохладітеля;

• комплексна микроминиатюризация охолоджуваних багатофункціональних вузлів апаратури з одночасним поліпшенням її електричних параметрів.

Мікроелектроніка і холод

Мікромініатюризація в області електронно-обчислювальної техніки - найважливіший напрям науково-технічного прогресу.

На основі напівпровідникових інтегральних схем можна було б створити потужну ЕОМ розміром всього зі шкільний ранець, якби був запропонований ефективний спосіб відведення тепла від такого пристрою. Але це виявилося непосильним для сучасної техніки завданням: пристрій має виділяти до кіловата енергії кожну секунду. Рішення було знайдено за допомогою кріогеніки в поєднанні з відмовою від напівпровідників.

Чверть століття тому, а точніше, в 1962 році, англійський учений Джозефсон (у той час він був ще студентом) теоретично передбачив ефект, названий пізніше його ім'ям. На основі ефекту Джозефсона було сконструйовано електронний пристрій, так званий "джозефсоновских перехід". Воно являє собою два надпровідних електрода, розділених найтоншим (від 10 до 50 А) шаром діелектрика. Діелектрик навіть при наднизьких температурах електричний струм не пропускає. У даному ж випадку завдяки надпровідного стану електродів і залежно від прикладених до переходу електричних і магнітних полів електричний струм через ізолятор проходить. Причому при температурі 4,2 К такий прилад виділяє в 10000 разів менше тепла, ніж звичайний транзистор. Іншими словами, ЕОМ тієї ж потужності, що й згадана вище, але побудована не на напівпровідниках, а на надпровідних елементах, виділяла б усього 0,1 Вт в секунду! А кожен "джозефсоновских перехід" може працювати і як детектор, і як підсилювач, і як елемент пам'яті, і як логічний елемент. Найбільш стабільні в роботі "джозефсоновские переходи" з електродами з ніобію.

Пристрої надпровідної електроніки вже використовуються на практиці. Так, на їх основі створені надчутливі вимірювачі магнітних потоків і полів, успішно застосовувані в медицині (магнітокардіографія і магнітоенцефалографія).

Велику увагу наука приділяє зараз розробки способів отримання надчистих металів, аналізу їх чистоти і вивчення їх властивостей. А треба сказати, що властивості ці воістину дивні. Наприклад, титан, вісмут, вольфрам, хром, молібден, тантал, цирконій довго вважалися крихкими. У чистому ж вигляді вони виявилися пластичними і міцними. І чим вище чистота отриманих зразків, тим більше вірогідність виявлення "маскуються" домішками справжніх властивостей металів.

У лабораторіях Інституту проблем технології мікроелектроніки і особливо чистих матеріалів отримані монокристали багатьох надчистих металів - міді та срібла, нікелю і кобальту, вісмуту і свинцю, індію, сурми, самарію. Їх проба чистоти надзвичайно висока - до 99,999999 відсотка! Така майже ідеальна чистота задовольняє вимогам мікроелектроніки, де метали знаходять все більш широке застосування.

Жорсткі вимоги мікроелектроніки до чистоти використовуваних металевих матеріалів пов'язані з тим, що надчистих металів веде себе майже як надпровідник, перешкоди електронам провідності створюють "чужі" атоми. А це означає, що при відсутності таких перешкод, тобто при роботі зі надчистих металів, не виникає (або, точніше, значно слабше проявляється) проблема відведення тепла. Крім того, що дуже важливо для електронно-обчислювальної техніки, безперервно циркулює потік інформації у вигляді заряду, хвилі тощо у схемі, виконаної з надчистих металів, не зустріне перешкод, а це захистить пристрій від збоїв і помилок.

Отримання надчистих металів - тема особлива, і ми не будемо її торкатися. Скажемо тільки, що зберегти речовина в чистому вигляді не менш складно, ніж отримати. І тут на допомогу знову-таки приходить кріогенна техніка: один з ефективних способів збереження чистоти металевих матеріалів - утримання їх в умовах наднизьких температур (у рідкому азоті, а ще краще - в рідкому гелії).

У Радянському Союзі був розроблений метод визначення чистоти надчистих металів (при змісті домішок менш 10 ^-4 відсотків), заснований на використанні електромагнітних хвиль особливого типу - Гелікон. Ці хвилі загасають у низці металів пропорційно концентрації домішок. Цікаво, що гелікони є не що інше, як згасання електромагнітних хвиль, що випускаються плазмою заряджених частинок, що спостерігається лише у вакуумі. Іншими словами, надчисті метали виявляють властивості вакууму. Така ж подібність властивостей з вакуумом надчисті метали проявили при дослідженні "пробігу" в них вільних електронів. У надчистих зразках індію, наприклад, охолоджених до температур нижче температури кипіння гелію, електрони проходили 8 - 10 мм - як у вакуумі! Більше того, була доведена можливість за допомогою магнітного поля фокусувати й управляти траєкторіями електронів провідності всередині зразка надчистого металу. Важливо відзначити, що в надчистих металах щільність потоку електронів провідності становить ^{22 жовтня} електронів в 1 см ^3, тобто майже як у вакуумі, і в сотні тисяч разів більше, ніж у напівпровідниках.

Звідси був зроблений природний висновок: використання надчистих металів в конструкціях ЕОМ різко підвищило б ефективність обчислювальних і керуючих систем. На думку директора Інституту проблем технології мікроелектроніки і особливо чистих матеріалів, члена-кореспондента АН СРСР Ч. В. Копецького, розвиток науки і техніки в цьому напрямку може призвести до появи нової галузі - металевої електроніки, або металлотронікі. Основним елементом електронних систем, на його думку, можуть стати "тріади" з двох надчистих металевих монокристалів, з'єднаних (або розділених) мікромостіком ("довжиною" до 100 мкм), виготовленим також з металевого монокристала особливої ​​чистоти. Через такий мікромостік при близьких до абсолютного нуля температурах можна пропускати електрострум величезної щільності - 10 ⁹ - ¹⁰ 10 А / см ^2. І місток при цьому навіть не нагрівається. Це воістину парадоксальне властивість надчистих металів, адже найтугоплавкіший метал звичайної технічної чистоти випаровується при щільності струму 10 ⁵ на квадратний сантиметр.

Одним словом, металлотроніка в співдружності з кріогенної технікою є просуванням науково-технічного прогресу.

Перспективи застосування структур на основі контактів надпровідників з напівпровідниками у кріогенній мікроелектроніці

Проблема створення структур на основі контактів С - П, приладів та багатофункціональних пристроїв на цих структурах є комплексною. Потрібно пройти великий шлях від розробки відтворюваної технології одержання найпростіших контактів і приладів, наприклад, напівпровідникового (як це не дивно звучить) кріотрон з джозефсоновских вентилем, надчутливих детекторів далекого ІК діапазону до кріоелектронних приймальних пристроїв і обчислювальних систем, в яких необхідно буде знайти розумне поєднання різних розглянутих структур. Але в цілому цей шлях корисний і дає багато нового мікроелектроніці. Застосування розглянутих структур на основі контактів надпровідників з напівпровідниками в Кріоелектроніка відкриває нові можливості для створення різних функціональних приладів: підсилювачів, детекторів, перетворювачів, ПЗЗ з внутрішнім посиленням, приймачів ІК діапазону, ліній затримки, регістрів зсуву. Поєднання на одному напівпровідниковому кристалі кількох структур, виконаних в одному технологічному циклі, наприклад, структур, які мають параметричні і детекторні елементи, в принципі дозволяє підняти чутливість кріоелектронних приймачів прямого посилення до рівня супергетеродинних.

Поєднання надпровідних структур з напівпровідниковим бар'єром, в яких при прояві ефекту Джозефсона частоти прийнятого сигналу можуть охопити практично весь ІК діапазон з регістром зсуву на структурах із зарядним зв'язком і малошумящими підсилювальними елементами дозволяє створити багатоелементні приймачі з самосканірованіем, що працюють у далекому та наддалеке ІК діапазонах. Можливе створення на цій основі і багатодіапазонні ПЗС ІК діапазону. При побудові складних інтегральних схем на НВЧ микрополосковой лінії й резонатори підсилювачів можуть бути виконані безпосередньо на тій частині поверхні напівпровідникового кристала, в якій при температурах Т <Т _з наступає "виморожування" носіїв заряду, і втрати стають приблизно такими ж, як і в хороших діелектриках . На цю частину кристала може бути нанесено і кілька додаткових пов'язаних плівкових надпровідних резонаторів, що утворюють надпровідникової НВЧ фільтри, або преселектора - підсилювачі зі надпровідникової резонаторами, запропоновані і розглянуті для мазера з пасивними надпровідникової резонаторами, або СП болометри. Здатність працювати при будь-яких умовах охолодження, аж до температур, близьких до абсолютного нуля, де відсутні теплові коливання, а шуми кристалічної решітки стають виключно малими (причому асортимент надпровідникових і напівпровідникових матеріалів істотно розширено) є одним з цінних властивостей аналізованих структур, які базуються на передовій технології БІС. Тенденція до освоєння в мікроелектроніці властивостей твердого тіла при кріогенних температурах, яка проявилася завдяки успіхам у створенні різних кріоелектронних прийомних систем на базі надпровідників, вузькозонних напівпровідників та інших матеріалів, неухильно пробиває собі дорогу. Одночасно, як видно з даної роботи, з'явилася й інша тенденція, дозріла але міру розвитку електронного матеріалознавства та функціональної мікроелектроніки. Це перехід до створення в єдиному технологічному циклі вже не тільки матеріалів, наприклад напівпровідникових кристалів, і не тільки епітаксійних плівок з одного матеріалу, але спочатку "простих" напівпровідникових гетероструктур, МДП-структур, аж до розглянутих складних структур С - П, С - П - С та ін Ці структури можна назвати функціональними.

Прикладне значення контактів надпровідників і напівпровідників для мікроелектроніки з роками, особливо в міру розвитку технології одержання надтонких однорідних напівпровідників, надпровідників, шарів і субмікронних зазорів, зростала поряд із зростанням значення напівпровідникових охолоджуваних гетероструктур.

Нові кріоелектронние структури на базі контактів надпровідників з напівпровідниками і напівметалах так само, як і нові структури на базі контактів надпровідників з нелінійними сегнетоелектриками в параелектріческой фазі (при Т> Т _с) і нелінійними кріопараелектрікамі, в яких закладено багато нові функціональні можливості, зайняли своє місце серед нових матеріалів і структур мікроелектроніки. При цьому могли з'явитися прилади ніби з потрійною інтеграцією: інтеграцією елементів, інтеграцією матеріалів і явищ та інтеграцією функцій в одній твердотільної схемою з корпусом-кріостата.

Корисно звернути увагу на принципову відмінність між енергетичної щілиною (забороненою зоною) в напівпровіднику і щілиною в надпровіднику. У напівпровіднику мінімуми енергії Е (р) визначаються кристалічною гратами, та наявність щілини призводить при Т = 0 К (при відсутності контакту зі надпровідником) до нульової провідності. У надпровіднику мінімуми Е (р) визначаються взаємодією електронів всередині електронної системи, та наявність щілини призводить до нескінченної провідності.

Висновок

Кріоелектроніка часто відносять до мікроелектроніці, вважаючи її вищим ступенем створення інтегральних плівкових схем для ЕОМ. Це визначення дуже неповне і охоплює тільки один з напрямків Кріоелектроніка - інтегральну кріотроніку на тонкоплівкових надпровідникових елементах зі слабкою зв'язком. В цілому ж інтегральна Кріоелектроніка, базуючись на досягненнях технології сучасної мікроелектроніки, включає більш широке коло проблем, без вирішення яких неможливо створити прилади, які працюють при кріогенних температурах і придатні для серійного виробництва і постійної експлуатації. Справа в тому, що Кріоелектроніка, на відміну від напівпровідникової мікроелектроніки, спирається на нові фізичні явища, такі як: надпровідність, ефекти Джозефсона, явища в вузькозонних напівпровідниках, напівметалах, параелектріках та ін, які виявляються тільки при охолодженні і не реалізовані раніше. При цьому кріоелектронний Мікроприлад або інтегральна кріоелектронная схема може представляти собою симбіоз охолоджуваної електронної схеми і охолоджувача (газового, електронного або радіаційного). Розвиток інтегральної Кріоелектроніка, як і розвиток всієї мікроелектроніки, знаменує собою новий етап в електронній техніці. Впровадження кріоелектронних приладів у народне господарство, в техніку зв'язку і телебачення, обчислювальну, радіолокаційну техніку і приладобудування як дозволяє у великих системах зменшити габарити, масу і вартість апаратури при збільшенні її надійності, а й призведе до корінного поліпшення електричних параметрів цієї апаратури. Як видно з наведених матеріалів, рівень охолодження в основному визначає параметри та сфера застосування кріоелектронних приладів. Прилади азотного рівня охолодження, найдешевші та легкі, можуть все ширше застосовуватися у масової мобільного апаратурі, а прилади гелієвого рівня охолодження, енергоспоживання яких у 25 - 70 разів більше, знаходять застосування в стаціонарних, важких об'єктах або там, де вже є рідкий гелій. При цьому електричні параметри приладів гелієвого рівня, в яких можуть використовуватися надпровідники, будуть значно краще параметрів приладів інших рівнів охолодження, де надпровідники застосувати не вдається. Межі застосування кріоелектронних виробів важко встановити, але абсолютно очевидно, що розширення і поглиблення наукових, конструкторських і технологічних робіт в області Кріоелектроніка взагалі і, зокрема, техніки криостатирования дозволяє вирішити ряд важливих проблем.

Перша проблема - освоєння далекого та наддалекого ІК діапазонів для прийому природничих і лазерних ІК випромінювань. Це дозволяє розширити спектральні кордону систем для вивчення природних ресурсів Землі та планет і поставити нові твердотільні охолоджувані лазери, ефективно працюють в ІЧ діапазонах на службу людині.

Друга проблема - створення кріоелектронних індикаторів слабкого теплового випромінювання на базі інтегральних приладів з зарядовим зв'язком для тепловидения в промисловості, геології і в медицині. Є підстави вважати, що кріоелектронние індикатори дадуть можливість здійснити ранню діагностику низки ракових захворювань.

Третя проблема - створення масових малогабаритних надчутливих приймачів, що сприймають з високою вибірковістю за частотою і перешкодозахищеністю такі слабкі радіосигнали, які звичайні приймачі навіть не в змозі виявити. Ці прилади знаходять саме широке застосування в системах оповіщення, управління, зв'язку, телебачення, телеметрії, пасивної локації і навігації, космічної техніки, радіоастрономії, приладобудування і системах наведення. При цьому, наприклад, дальність виявлення пасивної локації, зв'язку, телеметрії зростає в 2 - 3 рази, захист від перешкод в 10 - 100 разів. Прийом наддалекого телебачення через супутник в будь-якій точці країни в нових високоінформативних ділянках НВЧ діапазону можливий безпосередньо домашніми телевізорами з допомогою невеликої колективної антени. Розробка твердотільних перебудовуються і модульованих лазерів далекого ІК діапазону і створення нового тина твердотільних НВЧ генераторів, що мають при високому ККД стабільність частоти, притаманну квантовим генераторам, в десятки і сотні разів більшу вихідну потужність в усьому НВЧ діапазоні, є четвертою проблемою.

Кріоелектроніка дозволила створити великі і надвеликі інтегральні схеми нового типу на основі надпровідних плівкових структур для розробки нового класу електронних обчислювальних машин зі надвеликої пам'яттю, менших за габаритами і в 10 - 100 разів більш продуктивних, ніж раніше існуючі. В результаті успішного вирішення технологічних проблем в 1980 - 1985 рр.. були виготовлені ЗУ з ємністю 256 Кбіт на кристалі, часом запису і зчитування 620 і 340 нс відповідно і споживаної потужністю 7 мкВт.

Згідно з прогнозами давніх років, надпровідникової ЕОМ могла б бути виготовлена ​​до 1990 р., причому пам'ять великої ємкості - до 1983 - 1985 рр.., А центральний кріоелектронний процесор - до 1985 - 1987 рр.. Однак через необхідність охолодження надпровідникової обчислювальні пристрої мають обмежені спеціальними цілями застосування. Значний прогрес в розробці і випуску, холодильних пристроїв (криостатов і рефрижераторів із замкнутим циклом на температуру 4,2 К) суттєво здешевлює витрати, пов'язані з охолодженням. Дійсно, ЗУ ємністю 10 ⁸ біт складається з 5 * 10 ³ пластин розміром 1 см ^2, що містять кожна 2 * 10 ⁴ біт. Потужність, споживана однієї платою 10 ^-4 Вт повним ЗУ, - 0,5 Вт.

У ці ж роки, за прогнозом, повинні були бути створені комбіновані (з газовим каскадом) і електронні твердотільні мікроохладітелі на різні рівні кріогенних температур, вакуумні і твердотільні прилади з надпровідними соленоїдами для освоєння нових НВЧ діапазонів (міліметрових і субміліметрових хвиль), вимірювальні прилади з роздільною здатністю та чутливістю в 100 - 1000 разів краще існуючих.

Характерною рисою електроніки було розмаїтість матеріалів, що застосовуються в електронній техніці. Поряд з діелектриками і ширококутного напівпровідник все більшу роль в електроніці грали вузькозонних напівпровідників, матеріали з температурою Кюрі, що лежить в області кріогенних температур, і надпровідні матеріали. Якщо раніше широкому впровадженню надпровідників в електроніку перешкоджало те, що надпровідність у них наступала при дуже глибокому охолодженні, близькому до абсолютного нуля, то тепер становище докорінно змінилося. Синтезовано нові матеріали, які вже при Т ~ 20 К стають надпровідниками, створені вузькозонних напівпровідникові тверді розчини, напівметали, тонкі плівки, гетеро-та варізонние структури на їх основі, параелектріческіе плівки на SrTiO ₃ з високою нелінійністю, домішкові плівки. Для виконання такої обширної програми в області Кріоелектроніка необхідна консолідація наукових сил, що займаються низькотемпературним матеріалознавство, низькотемпературної електронікою твердого тіла і криогенним приладобудуванням, а також проведення фундаментальних робіт з основних напрямків Кріоелектроніка, без яких не можна ліквідувати створений розрив між великими відкриттями у фізиці низьких температур, перш за все, по надпровідності і властивостями вузькозонних напівпровідників, полуметаллов і параелектріков при кріогенних температурах, і можливістю їх широкого практичного використання. Разом з тим очевидно, що розвиток Кріоелектроніка збагачувало науково-технічну оснащеність країни, сприяло швидшому розвитку фізики, хімії, радіотехніки, зв'язку, автоматики, приладобудування. З кожним роком збільшувався вплив Кріоелектроніка на інші галузі електронної техніки. Це обумовлено тим, що безперервне поліпшення параметрів електронних приладів поступово наближає їх до теоретично можливої ​​межі при звичайних температурах. Глибоке охолодження дозволяє набагато переступити ці межі і застосовувати охолоджені прилади в єдиному модулі з кріоелектроннимі, що призводить до комплексної мікромініатюризації складної радіоелектронної апаратури.

Прилади Кріоелектроніка, як і прилади вакуумної, напівпровідникової, квантової електроніки та мікроелектроніки, повинні безперервно доповнювати і розширювати можливості електроніки. Це відкрило величезні перспективи. На рубежі 1985 - 1995 рр.. планувалося здійснити розробку і випуск багатоспектральних кріоелектронних приймальних пристроїв, що перекривають середній, дальній і наддалекий ІК діапазони для комплексів вивчення природних ресурсів Землі і планет. А також наступне:

• промисловий випуск прийомних і приемопередающих ІК і НВЧ кріоелектронних модулів з ​​твердотільними і електронними охолоджувачами, які знаходять широке застосування в багатьох наземних, космічних і орбітальних системах зв'язку, в радіолокації, телеметрії, управлінні, автоматиці, приладобудуванні, ракетній техніці;

• широке впровадження кріоелектронних приладів, що забезпечують безпосередній прийом через космос багатьох програм телебачення в будь-якій точці Землі домашніми телевізорами, а також прийом наддалекого телебачення в салонах літаків далеких рейсів, поїздах і пароплавах далекого прямування, в автомобілях. Можливе прийняття в будь-якій точці Землі кольорового телебачення, переданого як земними телецентрами, так і телецентрами інших об'єктів;
  Можливо також створення великих орбітальних кріогенних обчислювальних центрів єдиної системи навігації та прогнозу погоди; спорудження кріогенних обчислювальних центрів на Місяці та інших планетах, а також комплексів, що працюють у відкритому космічному просторі з охолодженням за рахунок радіації і твердих газів;

• наближення ККД багатьох електронних приладів НВЧ до 100%; освоєння нових ділянок спектру в далекому ІЧ діапазоні;

• розробка масивів кріотрон мікроперемикачів з внутрішньою логікою для створення автоматичної телескопного зв'язку, що охоплює в єдиній системі народне господарство і населення країни. Однією з причин, що змушують вже сьогодні все ширше застосовувати кріоелектронние прилади, є різке ускладнення умов, в яких мають працювати електронні прилади. З кожним роком область робочих температур безупинно розширюється, і якщо колись температура -80 ° С була межею для інтегральної схеми, то тепер робочі температури знижуються до -200 ° С і навіть -270 ° С, тобто майже до абсолютного нуля . Космічний простір з його умовами вакууму, холоду, радіації, а також ракетні кріогенні рідини (рідкий кисень, водень) гелій і затверділі заморожені гази - ось приклади середовищ, в яких повинні функціонувати сучасні прилади електроніки.

Розвиток у світі нового виду енергетики, заснованого на промисловому використанні криогенного водневого палива (газу, рідкої і твердої фази) замість мінерального палива та електроенергії, стрімке освоєння космосу роблять все більш звичайним впровадження кріоелектронних виробів в народне господарство.

На закінчення необхідно відзначити, що розвиток Кріоелектроніка, звичайно, не призводить до заміни існуючих методів створення електронних приладів, а лише розширює можливості електронної техніки, особливо там, де не потрібно надмініатюрні, а високі електричні параметри інтегральних пристроїв є визначальним фактором.

Додаток

Таблиця 1

Деякі властивості речовин при кріогенних температурах

Структури

Кріоелектронние прилади та пристрої використовуються в різних областях електроніки, метрології і стандартизації, для створення обчислювальної техніки, в інтересах оборони, освоєння космічного простору і радіоастрономії, а також інших галузей промисловості, морського флоту, сільського господарства, геології.

Космічна зв'язок, локація і наведення кораблів, пошук і виявлення тепловипромінюючих об'єктів, дистанційне вимір температур, спектральний аналіз атмосфери планет, теплобачення в медицині, промисловості та геології - всі ці завдання може успішно вирішувати кріоелетронная техніка.

Металеві гелієві кріостати

Кріостат - термостат, робочий об'єм якого підтримується при кріогенних температурах за рахунок стороннього джерела холоду. Зазвичай в якості джерела холоду (хладагента) застосовують зріджені або затверділі гази з низькими температурами конденсації (азот, водень, гелій та ін.) За рівнем підтримуваної температури і роду використовуваного хладагента розрізняють кріостат гелієвого, водневого та азотного рівнів охолодження. Температуру поміщеного в кріостат об'єкта регулюють зміною тиску пари хладагента або за допомогою системи терморегулювання, встановленої між джерелом холоду і об'єктом.

Надпровідний кріоелектронний резонатор

Резонатор з високим значенням добротності (до 10 ^11).

Бібліографічний список

1. Алфєєв В. Н. Радіотехніка низьких температур. М., 1966.

2. Алфєєв В. Н. Напівпровідники, надпровідники і параелектрікі в Кріоелектроніка. М., 1979.

3. Велика радянська енциклопедія. М., 1985.

4. Вендак О. Г., Гарін Ю. Н. Кріогенна електроніка. М., 1977.

5. Губанков В. Н. Підсумки науки і техніки, серія радіоелектроніка. Т. 38. М., 1987.

6. Джалло У. П. Кріоелектроніка. М., 1975.

7. Кріогеніка. М., 1986.

8. Інтернет: сервер NASA (www.nasa.gov).

9. Електроніка: Енциклопедичний словник. М., 1991.