КРИОЭЛЕКТРОНИКА

Криогенная электроника, направление электроники, охватывающее исследование при криогенных температурах (ниже 120 К) специфич. эффектов взаимодействия электро-магн. поля с носителями зарядов в твёрдом теле и создание электронных приборов и устройств, работающих на основе этих эффектов,- криоэлектронных приборов.Историческая справка. Применение криогенных температур в электронике в пром. масштабах началось в 50-х гг. 20 в. в США и др. странах, когда были получены важные для радиоэлектроники практич. результаты исследований низкотемпературных явлений в твёрдом теле и достигнуты успехи в области криогенной техники по разработке малогабаритных, экономичных и надёжных систем охлаждения.  

Существ, роль в развитии К. сыграли потребности радиоастрономии и космич. связи в радиотелескопах и земных станциях, обладающих высоко-чувствит. приёмными трактами, с помощью которых можно было бы компенсировать затухания радиоволн при распространении на протяжённых трассах. Применение криогенного оборудования позволило снизить собств. тепловые шумы входных цепей радиоэлектронных устр-в, предназначенных для работы при малом отношении сигнал-шум. В СССР результатом комплексных исследований свойств охлаждённого твёрдого тела стало создание в 1967 системы земных станций космич. связи «Орбита» для приёма программ Центрального телевидения через спутник связи «Молния» в диапазоне частот ок. 1 ГГц. В составе приёмной аппаратуры земных станций применялся многокаскадный широкополосный малошумящий параметрич. усилитель, первые каскады которого охлаждались жидким азотом. Важным этапом в развитии К. явились разработка в СССР первого в мире приёмника субмиллиметрового диапазона длин волн с гелиевым охлаждением и его успешные испытания в 1978 на борту н.-и. комплекса «Салют-6» - «Союз-27».

Установленный в 1979 на радиотелескопе АН СССР (РАТАН-600) криоэлектронный радиометр вывел этот радиотелескоп в разряд одного из самых чувствительных в мире и позволил на порядок увеличить объём информации о радиоизлучении Галактики. В 1984-86 в процессе реализации многоцелевого междунар. проекта «Венера - комета Галлея» криоэлектронный параметрич. усилитель в составе радиоприёмной аппаратуры обеспечил приём с расстояния более 100 млн. км радиолокац. изображения планеты Венера и крупномасштабных телевизионных изображений кометы Галлея с космич. аппаратов «Венера-15», «Венера-16», «Вега-1» и «Вега-2».

Основные разделы К. Совр. К. - комплексная область знаний, включающая след. осн. разделы: 1) криоэлектрон-ное материаловедение, охватывающее создание материалов для К. и исследование их электрофиз. свойств; 2) К. СВЧ (в т. ч. интегральная), разрабатывающая криоэлектрон-ные приборы СВЧ на основе объёмных активных и пассивных элементов, а также криоэлектронные интегральные схемы; 3) сверхпроводниковая К., связанная с созданием криоэлектронных приборов, работающих на основе таких явлений, как сверхпроводимость, Джозефсона эффект, квантование магн. потока в односвязных сверхпроводниках; 4) интегральная К. для вычислит, техники, использующая перечисленные и др. явления в плёночных структурах для создания ИС, элементов памяти большой ёмкости, быстродействующих переключателей и др. устр-в для ЭВМ на основе сверхпроводящих элементов, охлаждаемых транзисторных структур; 5) инфракрасная К., решающая задачи создания криоэлектронных блоков и систем, работающих в диапазоне ИК волн.Физические основы К. Действие криоэлектронных приборов основано на разл. физ. явлениях и эффектах, происходящих в сверхпроводниках, ПП, проводниках и диэлектриках при криогенных температурах. Одним из важнейших для К. эффектов является сверхпроводимость. Практич. применение сверхпроводимости в К. базируется в основном на эффекте Джозефсона, с которым связано создание элементов ЭВМ, параметрич. усилителей, генераторных, смесит, и детекторных устр-в, магнитометров, болометров, резонаторов, элементов антенно-фидерных устр-в.

ПП материалы для К. подразделяются на широкозонные ) и узкозонные. Первые получили широкое распространение в криоэлектронных параметрич. усилителях, транзисторных усилителях, смесит, и детекторных устройствах. На основе узкозонных ПП созданы криогенные магнитодиоды, ИК приёмники, лазеры, биполярные транзисторы, параметрич. и смесит. СВЧ диоды.

Ряд диэлектриков (в частности, параэлектриков - ти-таната стронция, танталата калия, титаната кадмия) при криогенных температурах характеризуются ярко выраженной зависимостью диэлектрич. проницаемости от приложенного напряжения, что обеспечивает возможность создания конденсаторов с электрически управляемой ёмкостью. На основе такого конденсатора создан параэлектрич. параметрич. усилитель (рис. 1).Области применения К.; современное состояние и перспективы развития. Приборы К. находят всё более широкое применение в аппаратуре для радиоастрономич. исследований с использованием криорадиометров измерит, аппаратуре, медицинской диагностич. аппаратуре (радиотермометрия, магнитокардиография и др.), системах космич. связи, метеорологии и т. д. Совр. криоэлект-ронные сверхмалошумящие приёмно-усилит. устройства характеризуются чрезвычайно высокой чувствительностью (шумовая температура достигает неск. К; и широкой полосой (10-15% от центр, частоты).

Перспективы развития К. связаны с поисками новых материалов, в частности относительно высокотемпературных сверхпроводников, например на основе металлооксидов (керамики, на которой в 1987 получена сверхпроводимость при температуре ~100 К), совершенствованием технологии создания элементов микронных и субмикронных размеров, развитием криогенной техники, разработкой многофункциональных устр-в в гибридно-интегральном исполнении с резким уменьшением габаритных размеров и улучшением технико-экономич. характеристик криогенных систем. К осн. направлениям разработок в области К. относятся: повышение частотного диапазона криоэлектронных приёмно-усилит. систем водородного (или азотного) уровня охлаждения на основе ПП параметрич. усилителей до верх, границы сантиметрового диапазона длин волн; создание криоэлектронных малошумящих высоконадёжных и дешёвых транзисторных усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМТ-транзисторах); освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе смесительных (на диодах с барьером Шотт-ки), ПП параметрич. и сверхпроводниковых устр-в с предельно малыми шумами; совершенствование и пром. выпуск ИК приёмников разл. уровня охлаждения; создание и пром. выпуск сверхпроводниковых приборов для вычислит, техники, а также сверхпроводниковых магнитометров, высокостабильных генераторов, резонаторов, фильтров, детекторов; повышение степени интеграции криоэлектронных СВЧ устр-в с использованием в одном криостате разл. функцион. узлов (охлаждаемой малошумящей антенны, усилителя, стабилизир. генератора, фильтра и др.).

Copyright © 2002 - 2017 Ravnopravie.kharkov.ua. All Rights Reserved.