Вступ

Кріоелектроніка (кріогенна електроніка) – напрям, що охоплює дослідження взаємодії електромагнітного поля з електронами в твердих тілах при кріогенних температурах (нижче 90К) та створення електронних приладів на їх основі. У кріоелектронних приладах використовуються різні явища: надпровідність металів і сплавів, залежність діелектричної проникності деяких діелектриків від електричного поля, поява у металів при Т < 80К напівпровідникових властивостей за аномально високої рухливості електронів провідності та інше.

До кріоелектронных приладів слід віднести: запам'ятовувальні і логічні кріоэлектронні пристрої обчислювальної техніки; генератори, підсилювачі, перемикачі, резонатори, детектори, перетворювачі частоти, фільтри, лінії затримки, модулятори та інші прилади НВЧ (надвисоких частот); надпровідні магнітометри, гальванометри, болометры та інше. Одним із завдань кріоелектроніки є створення електронних охолоджувачів, а також мініатюрних приладів, які поєднують в одній конструкції електронну схему, кріостат, який служить герметичною оболонкою та охолоджуючий пристрій.

Приклади кріоелектронних пристроїв:

Рис.1.Схема кріоелектронного підсилювача з 4 керованими реактивними установками.

Рис.2.Низькотемпературний параметричний підсилювач для наддалекого прийому телевізійних сигналів через штучні супутники Землі.

У підсилювачі, зображеному на Рис.2: 1 — кріостат (пристрій, з допомогою якого робочий об'єм підтримується при низькій температурі за рахунок стороннього джерела холоду); 2 — коливальна система з активним елементом; 3 — генератор накачування; 4 — вхідний фільтр.

Рис.3.Хрестоподібний плівковий кріотрон

У хрестоподібному кріотроні, зображеному на Рис.3: 1 — керуюча плівка (Pb); 2 — ізолюючий шар (SiO2); 3 — керована плівка (Sn); 4 — ізоляція (SiO2); 5 — екрануючий підшар (Pb);

6 — підкладка; — електричний струм, що керує; — керований електричний струм.

Кріотрон – комутаційний кріогенний елемент, заснований на властивості надпровідників стрибком змінювати свою провідність під впливом критичного магнітного поля.[1].

1.Залежність електропровідності твердих тіл від температури

Кажучи про кріоелектроніку, слід приділити увагу електропровідності твердого тіла залежно від температури, оскільки залежно від типу тіла електропровідність може бути різною.

1.1.Електричні провідники за низьких температур

Природа електричних провідників за низьких температур така, що при її зменшенні електричний опір провідника зменшується, це обумовлено тим, що зі зменшенням температури коливання атомів кристалічної решітки зменшується, що дозволяє вільним носіям заряду рідше зіштовхуватися із цими атомами, а отже краще переносити електричний струм. На Рис.4 зображений графік залежності питомого опору провідника від температури.[2].

Рис.4. Залежність питомого опору провідника від температури.

– опір, – початковий опір, – температура.

1.2.Напівпровідники за низьких температур

На відміну від провідника, електричний опір напівпровідника при зменшенні температури зростає, оскільки сам напівпровідник не має вільних носіїв заряду. При зменшенні температури до 0 К, напівпровідник стає діелектриком. Електропровідність чистого напівпровідника зростає зі збільшенням температури, оскільки носіями заряду у напівпровіднику являються електрони та дірки. Збільшення температури призводить до розриву ковалентних зв’язків тим самим збільшуючи кількість вільних електронів і дірок, що дозволить краще переносити електричний струм. На Рис.5 зображена температурна залежність питомого опору провідника від температури.[3],[4].

Рис.5.Залежність питомого опору напівпровідника від температури

Електропровідність напівпровідник можна збільшити за допомогою домішок.

1.3.Діелектрики за низьких температур

Щодо діелектриків, то вони майже взагалі не проводять електричний струм. При підвищенні температури кількість вільних носіїв заряду незначно збільшується, а при досягненні температури плавлення у деяких діелектриків електричний опір стрибкоподібно зменшується, а електропровідність – збільшується, через те, що йони кристалічної решітки стають рухливими. Прикладом служить звичайне скло, яке являється діелектриком, але при плавленні починає проводити електричний струм. Судячи з цього можна сказати, що за низьких температур діелектрик категорично не здатний проводити електричний струм. Залежність електропровідності діелектрика від температури:

= .

У наведеній формулі: ΔW – енергія активації електропровідності,

Т – абсолютна температура, , ≈ , якщо Т → ∞, k – постійна Больцмана. За кріогенних температур ця електропровідність стає майже відсутньою.[5],[6].

2. Ефект Джозефсона та тунелювання

Більшість сучасних кріоелектронних приладів базується на явищі надпровідності, зокрема, на ефекті Джозефсона, а також на явищі одноелектронного тунелювання між надпровідниками.

Ефект Джозефсона – протікання надпровідного струму через тонкий шар ізолятора, що розділяє два надпровідника (так званий контакт Джозефсона). Якщо струм не перевищує критичного значення, то падіння напруги на контакті відсутня, якщо перевищує – то виникає падіння напруги і контакт випромінює електромагнітної хвилі.

Рис.6.Явище ефекту Джозефсона

Тунелювання - проходження через потенційний бар'єр мікрочастинки, енергія якої менше висоти бар'єра.[7].