10.4. Криоэлектроника

Криогенная электроника, иликриоэлектроника (от греческого «криос» - холод, мороз), - одна из но­вых и весьма перспективных отраслей науки, сформировавшаяся в последние годы. Ее интенсивному развитию способствовали, с одной стороны, широкие исследования явлений, происходящих в твердом теле при низких температурах, и практическое применение получен­ных результатов в различных отраслях радиоэлектроники, а с дру­гой - достижения криогенной техники, позволившие разработать экономичные, малогабаритные и надежные системы охлаждения.

К криогенным температурам относят температуры в пределах 20...0 К. Известно, что сопротивление любого металла при пони­жении температуры падает. Однако в некоторых металлах и спла­вах, помимо такого нормального уменьшения удельного сопротив­ления, наблюдается и совершенно новое явление: при температуре около 20 К и ниже их сопротивление падает до нуля. Такие мате­риалы называются сверхпроводниками. В настоящее время сверх­проводимость удалось обнаружить примерно у двадцати элемен­тов (в частности, свинца, ртути, алюминия, теллура), многих металлических сплавов (сплава свинца с золотом), а также у дру­гих соединений, содержащих неметаллы (сульфида, мели, карбида, молибдена и др.). Если в кольцо из сверхпроводящего материала ввести ток, то он будет присутствовать в нем очень долго (в течение многих месяцев и даже лет). Это объясняется тем, что электроны проходят через материал, находящийся в сверх проводящем состоя­нии, без потерь энергии.

Известно также, что сверхпроводник характеризуется нулевой магнитной индукцией. Если материал становится сверх проводя­щим, то он как бы выталкивает любое заключенное в нем магнит­ное поле, а полный магнитный поток, охватывающий сверхпроводящую цель, измениться не может. Использование низких темпера­тур позволяет добиться кинетической упорядоченности (упорядо­ченности движения) носителей заряда, свести к минимуму тепловую хаотичность колебательных движений атомов в кристаллической решетке твердого тела, т. е. в значительной степени уменьшить уровень флуктуационных собственных шумов соответствующих приборов. Тем самым использование криогенных температур позво­лило значительно улучшить технические и экономические параметры электронных устройств, в том числе и в вычислитель­ной технике. На основе явлений сверх­проводимости металлов и сплавов, по­явления у металлов при температуре ни­же 20 К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности носите­лей заряда и других криогенных явле­ний удалось по-новому подойти к созданию усилительных и пере­ключающих элементов, запоминающих устройств, фильтров, резо­наторов, линий задержки и т. п.

Рис. 10.14. Криотронный Наиболее распространенным криогенным прибором являетсякриот-

переключатель рон, представляющий собой переключающий криогенный элемент, осно-

ванный на свойстве сверхпроводников скачком ме­нять свою проводимость под воздействием магнитного поля.

На рис. 10.14 показана схема, поясняющая принцип действия криотрона. В своей первоначальной и простейшей форме криотрон представлял собой сверхпроводящий провод, который можно было переключать из состояния с нулевым сопротивлением в нор­мальное состояние при помощи магнитного поля, создаваемого элек­трическим током, протекающим по другому сверхпроводнику. Про­вод, переключаемый из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно, называется вентильным. В схеме на рис. 10.14 та­ким проводом служит танталовый провод, критическая температура которого равна 4,4 К. Другой провод, в данном случае сделанный из ниобия (его критическая температура равна 8 К), называетсяуправляющими наматывается в виде соленоида вокруг вентиль­ного провода.

Экспериментальным, путем установлено (эффект Мейснера): если приложить магнитное поле параллельно сверхпроводящей проволоке, то при определенной (критической) величине напря­женности этого поля сопротивление проволоки внезапно восста­навливается. Физический смысл этого явления состоит в том, что изменение внешнего магнитного поля индуцирует токи на поверх­ности металла. Магнитное поле и поверхностный ток проникают в сверхпроводник на глубину 10 - 100 нм. Наличие тока в очень тонком поверхностном слое сверхпроводника приводит к увели­чению его сопротивления. Напряженность внешнего магнитного поля в криотроне изменяется с помощью тока , пропускаемого через управляющий провод. В зависимости от величины этого тока скачкообразно меняется ток вентильного провода от значения, когда провод находится в сверхпроводящем состоянии, до значенияпри восстановлении его сопротивления.

Отношение изменений этих токов называют коэффициентом уси­ления по току

(10.3)

Время перехода криотрона из одного состояния в другое состав­ляет доли микросекунды, т. е. эти приборы обладают высоким бы­стродействием. Как и любой другой быстродействующий переклю­чатель, криотрон можно применять в логических цепях ЭВМ. При использовании тонкопленочных криотронов они оказываются весь­ма миниатюрными: на 1 смплощади может быть размещено до нескольких тысяч криотронов. Однако необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связанные с этим технологи­ческие трудности все еще ограничивают широкое внедрение крио­тронов в вычислительную технику.