Криоэлектроника (микроэлектроника и холод)

Содержание:

1. Исторические аспекты криоэлектроники
2. Основные направления криоэлектроники
3. Микроэлектроника и холод

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых курсовых работ по физике:

 

Много готовых курсовых работ по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Конструкционная прочность материала и ее связь со структурой

Конструкция и виды лазеров

Лазерные технологии и их использование

Магнитные измерения (принципы построения приборов, способы измерения магнитного потока, магнитной индукции)

Введение:

Криогенная (от греческого «криос» - холодная, морозная) электроника или криоэлектроника - направление электроники, охватывающее изучение при криогенных температурах (ниже 120 К) специфических эффектов взаимодействия электромагнитного поля с носителями заряда в Твердые и создание электронных устройств и устройств, работающих на основе этих эффектов - криоэлектронные устройства.

Криоэлектроника - одна из основных и очень перспективных отраслей науки. Его интенсивному развитию способствовали, с одной стороны, обширные исследования явлений, происходящих в твердых телах при низких температурах, и практическое применение результатов, полученных в различных областях радиоэлектроники (прежде всего в космической радиоэлектронике), а с другой - Благодаря определенным достижениям криогенных технологий, которые позволили на основе как новых, так и ранее известных принципов разработать экономичные, малогабаритные и надежные системы охлаждения.

Существенным стимулом для развития криоэлектроники стало и то важное обстоятельство, что при создании современных электронных устройств - высокочувствительного радиоприемного оборудования, высокоскоростных электронных компьютеров и т. д. - конструкторы буквально пришли к пределу возможностей радиоэлектроники, которая принципиально достижим в обычном диапазоне температур. Использование низких температур позволяет преодолеть это препятствие и открывает новые возможности в развитии электронных систем.

Во-первых, глубокое охлаждение способствует значительному улучшению технико-экономических параметров радиоэлектронных устройств - преимущества компактных сверхпроводящих запоминающих устройств большой емкости и скорости для компьютеров, сверхпроводящих магнитов и другого оборудования неоспоримы. Во-вторых, явления, происходящие в условиях глубокого охлаждения, которые присущи только такому состоянию вещества, позволяют создавать принципиально новые устройства. Так, например, был разработан мазер, который успешно используется в системах спутниковой связи, радиоастрономии и т. д.

Криоэлектроника изучает поведение электронных компонентов и материалов при очень низких температурах (0 - 20 К), в частности, таких необычных явлений, как сверхпроводимость.

Работа в области криоэлектроники характеризуется большими масштабами лабораторных исследований. Показательна работа по созданию сверхпроводящих накопителей энергии большой емкости. Изначально предназначенные для пузырьковых камер, сверхпроводящие накопители энергии также успешно используются в качестве генераторов накачки для мощных лазеров и другого радиотехнического оборудования. Сверхпроводящие линии задержки различного назначения, криоэлектронные запоминающие устройства, охлаждаемые усилители и т. д. Выходят из стен лабораторий.

Поскольку криоэлектроника возникла на стыке нескольких различных научных областей, первые публикации в этой области были связаны с традиционными направлениями. Однако с начала 60-х годов стали появляться специальные издания, целиком посвященные криоэлектронике, и первые монографии.

Исторические аспекты криоэлектроники

Вопрос о минимально возможной температуре впервые привлек внимание исследователей около ста лет назад. В настоящее время охлаждение до низких температур широко используется на практике в различных типах устройств и систем, особенно в электронном оборудовании. Это стало возможным благодаря успешному решению проблемы сжижения газа.

Хотя многие газы сравнительно легко сжижаются, первоначально считалось, что некоторые газообразные вещества остаются неизменными при любых условиях. Однако во второй половине XIX в. Ученые добились определенных успехов в изучении проблемы перехода веществ из газообразного состояния в жидкость. В частности, было обнаружено, что каждый газ характеризуется определенной критической температурой, выше которой его нельзя сжижать только путем повышения давления. В 1898 году был получен жидкий газ (водород), а в 1908 году голландский физик Камерлинг-Оннес сжижил гелий, завершив тем самым первый этап работ по сжижению газов.

В последующие десятилетия началось бурное развитие методов использования новых криогенных жидкостей - сжиженных газов - в фундаментальных научных исследованиях в промышленности. От лабораторных экспериментов, которые, кстати, привели к открытию феномена сверхпроводимости, мы перешли к производству сжиженных газов в промышленных масштабах. Они начали высвобождаться в тоннах из смесей газов, например воздуха (разделяя его на составляющие - кислород, азот и инертные газы).

Чисто научный интерес и промышленные потребности стимулировали исследования физических свойств материалов при глубоком охлаждении. Этот вид исследований оказался особенно важным для радиоэлектроники, где в 40–50-е годы появилось много новых материалов, в частности полупроводников. Спустя десятилетие интерес специалистов радиоэлектроники к использованию криогенных жидкостей возрос еще больше. С их помощью удалось улучшить параметры (в частности, повысить чувствительность) обычных радиотехнических схем и создать принципиально новые радиоэлектронные устройства, например мазер.

Наиболее распространенные охлаждающие агенты (криогены) при нормальном атмосферном давлении имеют следующие точки кипения: He - 4 К; Н - 20 К; N - 77 К; О - 90 К; CO2 - 195 К (имитирует).

Не существует четкого и однозначного определения диапазона криогенных (низких) температур, но чаще всего оно ограничено областью, простирающейся примерно от 100 К до абсолютной пули (0 К). Иногда выделяется интервал 20 - 0 К, называемый интервалом гиперкриогенных (сверхнизких) температур. Большинство криогенных систем, используемых в электронике, работают при нормальной температуре кипения жидкого гелия, то есть около 4 К.

Одной из важнейших проблем современной электроники является проблема уменьшения степени беспорядка в структуре вещества. Для этого используется глубокое охлаждение.

Материалы, используемые в электронике, обычно оцениваются с точки зрения упорядоченности их химической (чистоты) и геометрической (кристаллической) структуры, а также упорядоченности движения частиц вещества (температуры). Любые факторы, которые вызывают отклонения в движении носителей заряда между двумя точками, уменьшают эффективную силу тока. Любой вид беспорядка в структуре способствует таким отклонениям, увеличивая тем самым электрическое сопротивление материала. Сложные электронные системы требуют, чтобы электрический сигнал заданной формы проходил через материал без искажений. Однако неупорядоченная структура материала приводит к уменьшению амплитуды сигнала и изменению его формы, поскольку его влияние является случайным. Например, гладкая синусоида становится искаженной, неравномерной, и в системе возникают нежелательные сигналы (шум).

Посмотрим, как различные типы беспорядка в структуре проводника влияют на его удельное сопротивление.

Нарушение химической структуры, обусловленное присутствием даже небольшого количества примесей, является достаточным для заметного увеличения удельного сопротивления металлического проводника. Таким образом, добавление 0,1% фосфора к меди приводит к снижению его электропроводности примерно на 50%, в то время как введение 1% кадмия (для получения сплава с более высокой механической прочностью) снижает его электропроводность лишь чуть более чем на 10%.

В химически чистом материале геометрический порядок его внутренней структуры может быть нарушен из-за остаточных напряжений (деформаций), возникающих при механической обработке. Поэтому после холодной вытяжки удельное сопротивление меди обычно увеличивается на несколько процентов. Такие нарушения в физическом упорядочении из-за остаточных напряжений могут быть устранены или, по меньшей мере, уменьшены путем отжига материала. Влияние различных типов геометрического упорядочения особенно заметно в асимметричных кристаллах, например, в цинке, где разница удельного сопротивления для двух взаимно перпендикулярных направлений в кристаллической решетке достигает 4%.

Мы можем наблюдать связь между химическим и геометрическим упорядочением в экспериментах по приготовлению медно-золотых сплавов. По мере увеличения концентрации золота удельное сопротивление случайной смеси увеличивается. Однако если случайная смесь, содержащая около 25% золота, отжигается в течение длительного времени, то обнаруживается тенденция к перегруппировке атомов в упорядоченную структуру сплава Cu3Au. Удельное сопротивление резко падает, хотя оно остается выше, чем у чистой меди.

Говоря о криоэлектронике, основное внимание следует уделить кинетическому упорядочению (упорядочению движения) частиц, поскольку понижение температуры обычно позволяет свести этот беспорядок к минимуму. В проводнике кинетический беспорядок связан со случайным движением свободных электронов, в то время как в любом твердом теле это вызвано тепловыми колебаниями атомов в кристаллической решетке. При низких температурах оба типа расстройства значительно снижаются.

В некоторых отношениях тепловые колебания атомов в твердом теле можно рассматривать как своего рода нарушение геометрического порядка, поскольку в результате таких колебаний нарушается регулярный шаг кристаллической решетки. Как показал де Бройль, определенные волновые свойства можно отнести к движению каждого атома кристаллической решетки. Таким образом, в любом твердом теле существуют упругие волны, которые распространяются со скоростью звука. Эти волны являются как бы локализованными, концентрированными пакетами (квантами) тепловой энергии, точно так же, как фотоны являются локализованными пакетами электромагнитной энергии. Тепловые кванты называются фононами; подобно фотону, каждый фонон характеризуется своей энергией hf (где f - частота, соответствующая длине волны фонона) и импульсом. В некоторых случаях фонон удобно рассматривать как частицу.

Таким образом, можно предположить, что твердое тело содержит хаотично, случайно движущиеся фононы различных энергий, которые сталкиваются с подвижными носителями заряда, создавая электрический ток в материале. С понижением температуры число таких фононов в материале уменьшается, и поэтому его удельное сопротивление уменьшается. Фононы играют определенную положительную роль в веществе: в процессе рекомбинации электронно-дырочной пары они обеспечивают сохранение импульса, благодаря чему становится возможным процесс рекомбинационной люминесценции.

Полупроводники, используемые в электронике, обычно имеют очень высокую степень химического (и часто также геометрического) упорядочения. Низкие температуры могут значительно снизить нежелательный собственный ток в них, но для ионизации атомов и, следовательно, образования свободных носителей, как правило, требуется определенное количество тепловой энергии. Аналогично, чтобы минимизировать шум вакуумной трубки (то есть обеспечить беспрепятственное движение электронов от катода к аноду), необходимо обеспечить правильную геометрию проводников в ее управляющих решетках. Но в то же время общеизвестно, что для нормальной работы лампы катод должен быть нагрет до высокой температуры, и поэтому ток излучения характеризуется высокой степенью кинетического беспорядка, который вызывает шум.

Однако наиболее интересные и потенциально важные характеристики низкотемпературной радиоэлектроники сводятся к исключительным, деликатным ситуациям, которые возникают только тогда, когда беспорядок общих типов сведен к минимуму.

В сверхпроводниках существует особый вид упорядочения между парами электронов, благодаря которому сопротивление материала становится равным нулю, и внутри него нет магнитного поля. Но если температура материала достаточно высока, фононы разрушают эти упорядоченные пары электронов и сверхпроводящее состояние исчезает. Точно так же упорядоченное состояние нарушается, и материал возвращается в свое нормальное состояние, даже когда плотность тока или напряженность внешнего магнитного поля превышает критическое значение.

В мазере особая форма упорядочения проявляется в том, что на двух из более высоких энергетических уровней атомов значительно больше, чем на нижних. Однако эта неустойчивая форма равновесия быстро нарушается из-за теплового беспорядка, после которого нормальное состояние равновесия восстанавливается снова, в котором преобладают атомы с низкими энергиями. Требуемое состояние неустойчивого равновесия может быть обеспечено только путем подачи энергии в систему извне, и чем ниже температура, тем меньше количество этой энергии.

Принципы, на которых основаны сверхпроводящие и лазерные системы, известны более полувека, но только в последние десятилетия они получили широкое техническое развитие. Мазер используется в современных системах радиосвязи, достигнут значительный прогресс в применении сверхпроводников в различных электронных системах и устройствах: больших электронных компьютерах, крупных электродвигателях и генераторах, электромагнитах, трансформаторах и линиях электропередачи. Такие открытия, как эффект Джозефсона, также нашли свое отражение в очень низких температурах, где случайные тепловые возмущения настолько малы, что становится возможным наблюдать и использовать очень тонкие, тонкие явления.

В последние десятилетия все больше и больше разрабатываются работы по созданию новых электронных устройств и сложных систем, основанных на свойствах твердых тел при криогенных температурах. Этому способствуют не только достижения в области физики низких температур и технологии глубокого охлаждения, но также и появление новых проблем, которые не могут быть решены другими методами. Криоэлектроника охватывает широкий круг вопросов: от взаимодействия электромагнитных волн с твердым телом при сильном затухании тепловых колебаний решетки до методов охлаждения и конструирования автономных криоэлектронных устройств с корпусом криостата.

Основные направления криоэлектроники

Каждое новое направление в науке и технике имеет свою историю развития. Криоэлектроника имеет свою историю, которая с первых же шагов открыла путь для создания принципиально новых устройств. Явления физики твердого тела при низких температурах, дающие доступ к глубоким квантовым свойствам вещества в конденсированном состоянии, вместе с явлениями физики низких температур, возникшими как самостоятельная наука, составили научную основу криоэлектроники. Хотя слово «криос» просто означает «холодный», принято считать криогенными только те температуры, при которых тепловые колебания материальной решетки сильно ослаблены, а дальний порядок и эффекты маскируются тепловым движением частиц при обычных температурах. начинают появляться в материалах. В конечном итоге это приводит к тем удивительным свойствам сверхпроводников, в которых квантовые эффекты проявляются в макроскопическом масштабе, а также к целому ряду качественно новых явлений и эффектов в других материалах. Область криогенных температур, при которой четыре газа (азот, неон, водород и гелий) превращаются в криогенные жидкости, условно можно разделить на четыре температурные зоны: азот (80 К), неон (27 К), водород (20 К) и гелий (~ 4,2 К). Температуры значительно ниже точки кипения жидкого гелия были изолированы в отдельной области «сверхнизких» температур, и многие эффекты в твердых телах характерны только для этой, пока еще экзотической области.

Если мы попытаемся обобщить в одной таблице 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. Таблица (см. Приложение) включает, в основном, свойства, на основе которых началось или ожидается создание принципиально новых криоэлектронных устройств. Список новых открытий и эффектов при криогенных температурах, на основе которых еще не было создано ни одного устройства, будет очень впечатляющим, но их внедрение в электронике может дать много полезных и неожиданных результатов.

Конечно, иногда трудно провести четкую грань между низкотемпературными и высокотемпературными явлениями в отдельных материалах, поэтому в таких случаях в табл. 1 означает те материалы, которые практически неприменимы без охлаждения (полуметаллы, узкозонные полупроводники и т. д.). Принцип построения таблицы. 1 предлагает принципы разделения криоэлектроники на направления в соответствии с типом используемого материала: например, сверхпроводящая криоэлектроника на основе сверхпроводников, полупроводниковая криоэлектроника на основе охлажденных полупроводников и полуметаллов и т. д. Это произошло со сверхпроводящими устройствами, которые, казалось, были изолированы от устройства на основе материалов обусловлены фундаментальной природой явления сверхпроводимости. Однако возможен и другой принцип: в соответствии с функциями, выполняемыми криоэлектронными устройствами, в соответствии с частотными диапазонами, в соответствии с технологическими методами, лежащими в основе изготовления устройства.

Все криоэлектронные устройства, в зависимости от температуры охлаждения, используемых материалов и явлений в них, можно разделить на продукты (устройства) уровней охлаждения азота, неона, водорода и гелия. Уровень охлаждения во многом определяет параметры и области применения криоэлектронных изделий.

Еще в 1940-х годах были предприняты попытки создать высокочувствительные, «бесшумные» приемники для индикации слабого теплового излучения в ИК-диапазоне.

Так, появился угольный болометр, охлажденный до температуры жидкого гелия, болометр на основе p-Ge, легированного гелием, работающий при 2,15 К, а затем появился сверхпроводящий приемный элемент на основе тонкой фольги из нитрида ниобия.

Были созданы первые переключатели со сверхпроводящим соленоидом.

В 1954 году произошло большое событие: Бакк предложил принципиально новое электронное устройство и дал ему название «криотрон». Следуя этому устройству, на основе механизма появления отрицательного сопротивления в полупроводниковом кристалле, охлажденном до такой степени, что примеси в нем «вымерзли», было предложено другое новое устройство - «криосар».

Проблема использования квантовых резонансных свойств твердого тела при низких температурах для получения сверхслабых микроволновых сигналов привела к созданию квантовых парамагнитных усилителей (мазеров). Мазеры появились вскоре после Н.Г.Басова и А.М. Прохоров предложил так называемый «трехуровневый метод» («метод накачки») для создания избыточной населенности верхнего энергетического уровня, необходимого для получения эффекта «отрицательного поглощения», а Н. Бломберген предложил использовать парамагнитные кристаллы на гелии. температура как активное вещество для таких мазеров. Вскоре А.М. Прохоров, Н.В. Карлов, А.А.Маненков и др. Создали резонаторные парамагнитные усилители СВЧ, с помощью которых был продемонстрирован перспективный характер комплексного использования двух криоэлектронных материалов: парамагнетиков и сверхпроводников. В. Б. Штейншляйгер, Г. С. Мисежников и другие разработали мазеры бегущей волны, в которых элементы криоэлектронной защиты входа усилителя были построены на полупроводниках. Работы по изучению вырожденных и невырожденных pn-переходов при низких температурах, известные работы по физике низких температур в Институте физических проблем, Физическом институте Академии наук СССР, Институте радиотехники и электроники, В Физико-техническом институте АН СССР работы украинских физиков проложили путь электронике к новым явлениям, возникающим в результате сильного ослабления тепловых колебаний решетки.

В 1963 году в СССР был опубликован первый научно-технический сборник по охлаждаемым электронным устройствам и сложным устройствам в корпусе криостата. После него в 1964 году в США группа Т. Шмидта и соавт. Также издан сборник, в названии которого «Криогенная электроника» была впервые напечатана. Если раньше использовались различные термины: «низкотемпературная радиотехника», «криотроника», «сверхнизкотемпературная радиоэлектроника» и т. д., то сейчас ситуация изменилась. Стало ясно, что пришло время для формирования нового многообещающего направления электроники, основанного на сверхпроводимости и других явлениях в твердых телах при криогенных температурах, которое в итоге получило название «криоэлектроника» или «криогенная электроника». В попытках заглянуть в будущее криоэлектроники, предпринятых за последние 15 лет в ряде обзорных и проблемных работ, можно выделить два основных этапа. Первый этап датируется 1962 - 1966 гг., Когда в СССР и США появились оптимистические прогнозы вскоре после разработки дискретных криоэлектронных устройств: пленочных криотронных схем, ИК-детекторов и микроволновых усилителей на основе охлажденных полупроводниковых структур с pn-переходом. Этому этапу предшествовало создание микроскопической теории сверхпроводимости, установление ее связи с феноменологической теорией Гинзбурга-Ландау (ГЛ), открытие квантовых макроскопических явлений, в том числе открытие эффекта Джозефсона, синтез новых сверхпроводящие материалы и разработка квантовых парамагнитных СВЧ-усилителей со сверхпроводящим соленоидом в гелиевом криостате.

Второй этап предсказаний (1969 - 1973) был стимулирован развитием технологии полупроводниковой микроэлектроники, созданием работоспособного сверхпроводящего туннелирования, мостовых переходов на основе эффекта Джозефсона, структур на основе узкозонных соединений (InSb, InAs) и твердых растворов (BiSb, CdHgTe, PbSnTe), а также нелинейные параэлектрические кристаллы, которые не превращаются в сегнетоэлектрическую фазу при низких температурах (SrTiO3), и сегнетоэлектрики с низкой температурой Кюри-Вейсса. Анализ работ по криоэлектронике за последние 10–15 лет показывает, что основные идеи этих прогнозов были подтверждены, хотя огромные достижения в микроэлектронике, открывающие новые технологические возможности, в ряде случаев ставили под сомнение целесообразность широкого использования некоторые криоэлектронные устройства, например, пленочные криотроны. Криоэлектроника стала привлекать не только исследователей, работающих в области электроники, но и специалистов по физике твердого тела, которые ранее не увлекались электронными устройствами, специалистов - «сложных специалистов», которые ранее стремились любой ценой избавиться от необходимости Внедрить в оборудование криогенные элементы специалисты по космонавтике и астрономии.

Во многом это связано с успехом космических криогенных технологий и тем фактом, что с каждым пятилетним периодом инфракрасные волны проникают все глубже во все сферы человеческой жизни. Действительно, в наши дни трудно выделить область науки и техники, в которой инфракрасные устройства не будут использоваться. Специфика ИК излучения как носителя информации ставит его в один ряд со светом и радиоизлучением. Поскольку тепловое излучение тел напрямую связано с их термодинамическим состоянием, оно содержит полную информацию о температуре источника. Кроме того, спектральный состав излучения зависит от материала поверхности и типа частиц, испускаемых различными телами, например, газами. Следовательно, он несет информацию о веществе и состоянии поверхности источника излучения. Эти качества инфракрасного излучения, которые позволяют выявить внутренние свойства объектов и наблюдать глубокие процессы, происходящие в них, помогают привлечь его для решения задач, в которых невозможно получить указанную информацию с использованием других сигналов. Особенно заметный прогресс в развитии криоэлектронной компьютерной технологии был достигнут в связи с изобретением охлажденных твердотельных ИК-лазеров и исследованием космоса. Этот сдвиг также был вызван тем фактом, что в космосе существуют идеальные условия для распространения инфракрасного излучения и относительно однородного фона неба, нет поглощающей и рассеивающей среды, и есть условия для использования естественного охлаждения прием элементов из-за теплового излучения или за счет использования отвержденных газов.

Космическая связь, определение местоположения и наведение кораблей, поиск и обнаружение теплоизлучающих объектов, дистанционное измерение температуры, спектральный анализ атмосфер планет, тепловидение в медицине, промышленности и геологии - все это новые задачи, которые криоэлектронные технологии ИК диапазона призвал решить. Другой областью, которая привела к появлению новых инструментов и криоэлектронных устройств, является дистанционное исследование природных ресурсов Земли и планет во всем спектре ИК-волн: от ближнего ИК-диапазона до субмиллиметрового диапазона.

Инфракрасные системы дистанционного зондирования развиваются настолько быстро, что почти все сектора национальной экономики, включая промышленность, морской флот, сельское хозяйство и геологию, будут получать все более ощутимые выгоды от внедрения этих систем. Космические радиотелескопы, как автоматические, так и обслуживаемые космонавтами, развиваются не менее быстро. Для того чтобы эти телескопы, которые позволяют изучать объекты в дальнем инфракрасном диапазоне и участок субмиллиметровых волн, наименее доступных с поверхности Земли, могли работать в космосе в течение длительного времени, их криоэлектронная приемная часть должна представлять единое целое с замкнутой криогенной установкой. Совсем недавно бортовая криогенная установка, даже с азотным уровнем охлаждения, была мечтой, и теперь, во время полета орбитального исследовательского комплекса "Салют-6 - Союз-27", криогенная установка уже успешно работала на борту. станции, обеспечивающей температуру 4,2 К для криоэлектронного приемника субмиллиметровой длины волны. Космонавты Ю. Романенко и Г. Гречко проводят испытания малогабаритной криоэлектронной приемной системы на уровне гелия, впервые созданной учеными из Физического института Академии наук СССР и советскими специалистами по микрокриогенной технологии, включением, настройкой и измерениями на телескопе. открыл новую страницу в криоэлектронике. Мощным дополнительным стимулом стал запуск не только на эллиптические, но и на стационарные орбиты спутников-ретрансляторов, что позволило создать спутниковые системы связи и телевидения во многих странах и начать перемещение рабочих частот спутниковых систем в область когда-либо более высокие частоты, включая диапазон миллиметровых волн и, в перспективе, дальний инфракрасный диапазон. Энергетический голод заставил человечество срочно искать новые источники энергии, и глаза обратились к криогенному газу - водороду, который является отличным топливом - время для водородной энергии пришло. Криоэнергетика, криобиология, криохимия и криомедицина быстро развивались, усиливая общую тенденцию к использованию в технологии свойств веществ при низких температурах.

Как радикальный поворот назревал в радиоэлектронике, благодаря развитию технологической базы микроэлектроники, это притяжение к низким температурам охватило также микроэлектронное оборудование. Одна за другой возникали новые проблемы, решение которых известными методами интегральных схем при обычных температурах было в принципе невозможно или так сложно, что их практическая реализация ставилась под сомнение. В то же время одно за другим следовало открытие новых явлений в пленочных структурах при низких температурах, которые не были реализованы в микроэлектронике. Однако криоэлектроника развивалась не так быстро, как другие отрасли микроэлектроники. Было много причин, которые препятствовали его развитию, прежде всего: недостаточное знание электронных процессов в охлаждаемых структурах и пленках на основе твердых тел, отсутствие реальных конструктивных и технологических идей для создания интегрированных электронных устройств на основе этих процессов и особенно надежных, воспроизводимых мульти -элементные многослойные интегральные схемы с субмикронными зазорами, а также практические методы снижения доли затрат на охлаждение интегрированных устройств до уровня затрат на обычное термостатирование и увеличения непрерывной работы охлаждаемых устройств.

Поэтому криоэлектроника является сложной областью знаний и включает в себя несколько основных областей:

• Криоэлектронное материаловедение;
• Микроволновая криоэлектроника на основе объемных компонентов;
• Сверхпроводящая криоэлектроника;
• Криоэлектронная инфракрасная технология;
• Интегрированная криоэлектроника;
• Криостатирование техники.

Давайте рассмотрим основные из этих направлений. Криоэлектронное материаловедение охватывает изучение электронных и магнитных явлений в охлажденных твердых телах, включая затвердевшие газы, разработку технологии и синтез новых материалов с заданными свойствами в диапазоне криогенных температур с целью создания новых дискретных криоэлектронных элементов, функциональных радиоэлектронных средств. приборы и микроохладители.

Микроволновая криоэлектроника включает в себя создание нового класса микроустройств: охлаждаемые параметрические и транзисторные усилители, смесители, детекторы и сложные многофункциональные приемные модули на основе объемных сверхпроводящих, полупроводниковых и других компонентов, представляющих собой комбинацию фильтров, усилителей, циркуляторов, конструктивно объединенных в одном Оболочка - криостат и связана с криогенной установкой. Микроволновая криоэлектроника на основе объемных компонентов представляет собой большую сложную область и охватывает очень широкий круг задач: от технологии создания активных и пассивных микроволновых элементов до разработки функциональных устройств и сложных приемных модулей, которые, по сути, являются независимыми радиоприемниками. устройства.

Сверхпроводящая криоэлектроника, начавшаяся с создания криотрона, развивалась по пути разработки дискретных устройств на основе сверхпроводимости с уникальными характеристиками: сверхпроводящие микроволновые резонаторы с добротностью до 109, микроволновые линии задержки и коаксиальные кабели, которые практически не имеют потери и мощные микромагниты. Выдающимся достижением стало создание на основе эффекта Джозефсона сверхпроводящих магнитометров с ранее недостижимыми параметрами, индикаторов экстремально низких напряжений и токов, а также детекторов субмиллиметрового диапазона длин волн.

Криоэлектронная ИК-технология изначально также включала дискретные элементы: охлаждаемые тепловые ИК-приемники (болометры), спектральный диапазон которых зависит от характеристик оптических фильтров, и фотонные, селективные ИК-приемники, основанные на использовании их собственных узкозонных и примесных полупроводников. фоторезистивные и фотоэлектрические свойства охлаждаемых структур в разных частях ИК-диапазона.

Поток открытий и идей в области физики низких температур, физики тонких пленок, которые излились после создания микроскопической теории сверхпроводимости и синтеза низкотемпературных материалов, технологических достижений, открыл двери и новый мир. Симбиоз новейшей технологии - микроэлектроники с физическими принципами и материалами криоэлектроники привел к переходу от дискретного уникального крио-устройства к интегральному криоэлектронному модулю, то есть к интегральной криоэлектронике.

Новейшие области интегрированной криоэлектроники родились со своими собственными проблемами и перспективами, из которых наиболее развитыми являются:

• Интегрированная криоэлектроника ИК-диапазона (приборы с зарядовой связью, многоэлементные ИК-приемники, ИК-лазеры и др.);
• Интегрированная микроволновая криоэлектроника (интегральные схемы микроволновых усилителей, циркуляторов, фильтров, смесителей и т. д.);
• Интегрированная криоэлектроника на основе слабосвязанных сверхпроводников для вычислений (интегральные схемы логики и памяти).

Значительное увеличение доли работ по интегральной криоэлектронике отражает суть нового этапа в развитии криоэлектроники, обусловленного успехом технологии пленочных и полупроводниковых схем микроэлектроники. Использование достижений технологии изготовления интегральных микросхем в криоэлектронике открыло путь для комплексной микроминиатюризации ряда электронно-приемного оборудования с одновременным качественным улучшением его основных параметров.

Этой ситуации способствуют глубокие процессы, происходящие в электронике:

• Интеграция большого количества элементов в один криостатированный корпус;
• Создание многокомпонентных гетероструктур, в том числе на основе узкозонных материалов;
• Объединение явлений, функций и разнородных материалов в одну структуру на основе контактов сверхпроводник - полупроводник, параэлектрик - сверхпроводник;
• Применение криогенной технологии (криогенные насосы, криогенное охлаждение подложек, охлаждение химических веществ для проведения уникальных реакций путем туннелирования при низких температурах) для создания криоэлектронных элементов.

Исчезновение активного сопротивления в сверхпроводниках при криогенных температурах в широком частотном спектре позволяет практически полностью устранить тепловые потери, повысить КПД элементов и создать резонаторы с добротностью до 108 - 1012 вместо 103 - 104 при частоты до 10 - 30 ГГц. На основе эффекта Джозефсона и явлений в контактах сверхпроводник - полупроводник могут быть разработаны высокочувствительные датчики, которые измеряют напряжения 10-16 В, видеодетекторы миллиметровых и субмиллиметровых длин волн с чувствительностью 10-15 Вт / Гц1 / 2, тонкие пленочные интегральные схемы памяти и логики со скоростью 10 -11 с, работающие практически без тепловыделения, магнитометры с чувствительностью на 5 порядков выше, чем у самых известных приборов.

Замораживание примеси в полупроводнике с уменьшением тепловой энергии решетки ниже энергии ионизации примеси, устранение внутренней проводимости в узкозонных полупроводниках, токов термоэлектронной эмиссии в барьерах Шоттки за счет охлаждения открытых путей для приема излучения в спектральные области, недоступные кремниевым фотодиодам и ПЗС, вплоть до дальнего ИК-диапазона. Кремниевые ПЗС-матрицы с барьерами Шоттки при температурах азота охватывают диапазон до 3,5 мкм, ПЗС-матрицы на основе InSb и кремниевые ПЗС-подложки с допуском до 3-5 мкм, гибридные ПЗС-матрицы с использованием HgCdTe, PbSnTe в дальнем ИК-диапазоне имеют пороговую чувствительность, сниженную до отдельная область фотоприема 1 см2 при температурах азота порядка 10-10 - 10-11 Вт / Гц1 / 2, если отношение сигнал / шум равно 1. Глубокое охлаждение твердотельных выводов решетки значительному снижению теплового шума, что является фундаментальным ограничением в повышении чувствительности электронных устройств, особенно в микроволновом и инфракрасном диапазонах. Шумовая температура охлаждаемых полупроводниковых усилителей может достигать 5–20 К в широком частотном диапазоне, а шумовая температура смесителя на контакте полупроводник-сверхпроводник на частотах ~ 1010 Гц при гелиевых температурах является рекордно низким - около 13 К. гетеродинный лазерный приемник имеет чувствительность 77 K около 1020 Вт / Гц1 / 2 в ИК-диапазоне.

Интенсивное развитие интегральной криоэлектроники тесно связано с созданием криостатов с жидкими и твердыми хладагентами и микрокриогенных систем с замкнутым циклом, которые не требуют периодического пополнения жидкими или газообразными хладагентами. Создание криостатов с кулерами Мак-Магона-Гиффорда позволило надежно освоить диапазон на стыке температур водорода и гелия; появились микрокриогенные гелиевые системы. Криостаты с дросселирующими микроохладителями после использования в них газовых смесей становятся конкурентоспособными по сравнению с другими системами. Начинается внедрение гибридных электронных кулеров на основе эффектов Пельтье и Эттингсгаузена. Существенной особенностью этих кулеров является слабая зависимость относительной термодинамической эффективности от холодопроизводительности, в то время как соответствующий коэффициент газоохладителей машин резко падает с уменьшением холодопроизводительности. Таким образом, будет возможно снять ограничение на минимально достижимую холодопроизводительность, что, в свою очередь, уменьшает размер всей системы охлаждения. Именно в области криогенных систем с низкой холодопроизводительностью, по-видимому, наиболее конкурентоспособным будет электронное криостатирование, в задачи которого входит создание криогенных твердотельных электронных микроохладителей с различными уровнями температуры, вплоть до сверхнизких. Интегрированная криоэлектроника позволит в будущем объединить электронную охлаждаемую схему с электронным охладителем в одном твердотельном модуле, что является способом создания полностью твердотельных криоэлектронных интегральных схем. При таком необычном расположении секция охлаждения также может быть выполнена с использованием интегрированной технологии и иметь такой же источник питания. В этом случае предварительное охлаждение можно проводить неэлектронными методами, что важно для разработки микроэлектронных систем с высокой степенью интеграции, например, фазированных антенных решеток.

Развитие интегрированной криоэлектроники как новой отрасли микроэлектронных технологий постоянно ставит перед исследователями новые задачи:

• Создание электронных устройств с принципиально новыми свойствами на основе открытых физических низкотемпературных явлений с использованием технологии интегральных полупроводниковых схем;
• Изменение физических свойств конструкций из-за глубокого охлаждения для получения принципиально нового устройства;
• Создание новых конструктивных и технологических методов, позволяющих объединить свойства криоэлектронного устройства и микроохладителя в одном электронном функциональном модуле;
• Комплексная микроминиатюризация охлаждаемых многофункциональных узлов оборудования с одновременным улучшением его электрических параметров.

Микроэлектроника и холод

Микроминиатюризация в области электронных вычислений является важнейшим направлением научно-технического прогресса.

На основе полупроводниковых интегральных схем можно было бы создать мощный компьютер размером со школьную сумку, если бы был предложен эффективный способ отвода тепла от такого устройства. Но это оказалось невыносимой задачей для современных технологий: устройство должно выделять до киловатта энергии каждую секунду. Решение было найдено с использованием криогеники в сочетании с отбраковкой полупроводников.

Четверть века назад, а точнее, в 1962 году английский ученый Джозефсон (в то время он еще был студентом) теоретически предсказал эффект, названный его именем позже. На основе эффекта Джозефсона было разработано электронное устройство, так называемое «соединение Джозефсона». Он состоит из двух сверхпроводящих электродов, разделенных тончайшим (от 10 до 50 А) диэлектрическим слоем. Диэлектрик не пропускает электрический ток даже при сверхнизких температурах. В этом случае из-за сверхпроводящего состояния электродов и в зависимости от электрического и магнитного полей, приложенных к переходу, электрический ток проходит через изолятор. Более того, при температуре 4,2 К такое устройство выделяет в 10 000 раз меньше тепла, чем обычный транзистор. Другими словами, компьютер с той же мощностью, что и упомянутый выше, но построенный не на полупроводниках, а на сверхпроводящих элементах, будет излучать всего 0,1 Вт в секунду! И каждый «джозефсоновский контакт» может работать как детектор, и как усилитель, и как ячейка памяти, и как логический элемент. Наиболее стабильными в работе являются «джозефсоновские контакты» с ниобиевыми электродами.

Сверхпроводящие электронные устройства уже используются на практике. Так, на их основе созданы сверхчувствительные измерители магнитных потоков и полей, которые успешно применяются в медицине (магнитокардиография и магнитоэнцефалография).

Наука уделяет большое внимание разработке методов получения сверхчистых металлов, анализу их чистоты и изучению их свойств. И я должен сказать, что эти свойства действительно удивительны. Например, титан, висмут, вольфрам, хром, молибден, тантал, цирконий издавна считались хрупкими. В чистом виде они оказались пластичными и прочными. И чем выше чистота полученных образцов, тем больше вероятность обнаружения истинных свойств металлов, «замаскированных» примесями.

В лабораториях Института проблем микроэлектронной технологии и особо чистых материалов получены монокристаллы многих сверхчистых металлов - меди и серебра, никеля и кобальта, висмута и свинца, индия, сурьмы и самария. Их анализ чистоты чрезвычайно высок - до 99,999999 процентов! Эта почти идеальная чистота отвечает требованиям микроэлектроники, где металлы все чаще используются.

Строгие требования микроэлектроники к чистоте используемых металлических материалов связаны с тем, что сверхчистый металл ведет себя почти как сверхпроводник, а «чужеродные» атомы создают помехи электронам проводимости. А это значит, что при отсутствии таких помех, т. е. При работе со сверхчистыми металлами, нет (или, точнее, гораздо более слабого проявления) проблемы отвода тепла. Кроме того, что очень важно для электронных компьютеров, непрерывно циркулирующий поток информации в виде заряда, волны и т. д. В цепи из сверхчистых металлов не будет сталкиваться с препятствиями, и это защитит устройство от сбоев и ошибок.

Получение сверхчистых металлов - особая тема, и мы не будем ее затрагивать. Скажем так: сохранить вещество в чистом виде не менее сложно, чем его получить. И здесь криогенная технология снова приходит на помощь: один из наиболее эффективных способов сохранения чистоты металлических материалов - это держать их при сверхнизких температурах (в жидком азоте или, что еще лучше, в жидком гелии).

В Советском Союзе был разработан метод определения чистоты сверхчистых металлов (с содержанием примесей менее 10-4 процентов), основанный на использовании электромагнитных волн особого типа - геликонов. Эти волны ослабляются в ряде металлов пропорционально концентрации примесей. Любопытно, что геликоны - это не что иное, как затухание электромагнитных волн, излучаемых плазмой заряженных частиц, которое наблюдается только в вакууме. Другими словами, сверхчистые металлы обладают вакуумными свойствами. Ультрачистые металлы показали такое же сходство по свойствам с вакуумом при изучении «диапазона» свободных электронов в них. Например, в сверхчистых образцах индия, охлажденных до температуры ниже точки кипения гелия, электроны прошли 8 - 10 мм - как в вакууме! Кроме того, было доказано, что с помощью магнитного поля можно фокусировать и контролировать траектории электронов проводимости внутри образца сверхчистого металла. Важно отметить, что в сверхчистых металлах плотность потока электронов проводимости составляет 1022 электрона на 1 см3, то есть почти как в вакууме, и в сотни тысяч раз выше, чем в полупроводниках.

Из этого был сделан естественный вывод: использование сверхчистых металлов в компьютерных разработках значительно повысит эффективность вычислительных систем и систем управления. По словам директора Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов, члена-корреспондента АН СССР гл. В. Копецкий, развитие науки и техники в этом направлении может привести к появлению новой отрасли - металлической электроники или металлотроники. Основным элементом электронных систем, по его мнению, могут быть «триады» из двух сверхчистых металлических монокристаллов, соединенных (или разделенных) микробриджем (длиной до 100 мкм), также изготовленным из высокочистого металлического монокристалла. Электрический ток огромной плотности - 109 - 1010 А / см2 - может проходить через такой микробридж при температурах, близких к абсолютному нулю. И мост даже не нагревается. Это действительно парадоксальное свойство сверхчистых металлов, поскольку наиболее тугоплавкий металл обычной технической чистоты испаряется при плотности тока 105 на квадратный сантиметр.

Одним словом, металлотроника в сотрудничестве с криогенными технологиями - это прогресс научно-технического прогресса.

Перспективы применения структур на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криогенной микроэлектронике

Проблема создания структур на основе контактов C-P, устройств и многофункциональных устройств на этих структурах является сложной. Необходимо пройти долгий путь от разработки воспроизводимой технологии получения простейших контактов и устройств, например, полупроводникового (как это ни странно звучит) криотрона с клапаном Джозефсона, сверхчувствительных детекторов дальнего инфракрасного диапазона до криоэлектронного приема. устройства и вычислительные системы, в которых необходимо будет найти разумную комбинацию различных рассматриваемых структур. Но в целом этот путь полезен и дает много нового микроэлектронике. Использование рассмотренных структур на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криоэлектронике открывает новые возможности для создания различных функциональных устройств: усилителей, детекторов, преобразователей, ПЗС с внутренним усилением, ИК-приемников, линий задержки, регистров сдвига. Сочетание нескольких структур на одном полупроводниковом кристалле, выполненных в одном технологическом цикле, например структур с параметрическими и детекторными элементами, в принципе позволяет повысить чувствительность криоэлектронных приемников прямого усиления до уровня супергетеродинных.

Сочетание сверхпроводящих структур с полупроводниковым барьером, в котором при проявлении эффекта Джозефсона частоты принимаемого сигнала могут охватывать практически весь ИК-диапазон с помощью регистра сдвига на структурах с зарядовой связью и малошумящими усиливающими элементами, составляет возможно создание многоэлементных самосканирующихся приемников, работающих в дальнем и ультра дальнем инфракрасном диапазонах. На этой основе можно создавать многодиапазонные ПЗС инфракрасного диапазона. При построении сложных интегральных микросхем на основе микрополосковых микрополосковых линий и усилителей резонаторы могут быть изготовлены непосредственно на той части поверхности полупроводникового кристалла, на которой при температурах T <Tc носители заряда «замораживаются» и потери становятся примерно такими же, как в хороших диэлектриках. Несколько дополнительных связанных сверхпроводящих пленочных резонаторов могут быть применены к этой части кристалла, образуя сверхпроводящие микроволновые фильтры или преселекторы - усилители со сверхпроводящими резонаторами, предложенные и рассмотренные для мазера с пассивными сверхпроводящими резонаторами или болометрами Cn. Способность работать в любых условиях охлаждения, вплоть до температур, близких к абсолютному нулю, где отсутствуют тепловые колебания, а шум кристаллической решетки становится чрезвычайно малым (а диапазон сверхпроводящих и полупроводниковых материалов значительно расширяется) является одним из ценные свойства рассматриваемых структур, основанные на передовой технологии LSI. Тенденция к овладению свойствами твердых тел при криогенных температурах в микроэлектронике, которая проявлялась благодаря успеху в создании различных криоэлектронных приемных систем на основе сверхпроводников, узкозонных полупроводников и других материалов, неуклонно растет. В то же время, как видно из этой работы, возникла еще одна тенденция, которая стала развиваться с развитием материаловедения и функциональной микроэлектроники. Это переход к созданию в едином технологическом цикле не только материалов, например, полупроводниковых кристаллов, и не только эпитаксиальных пленок из одного материала, но прежде всего «простых» полупроводниковых гетероструктур, МДП-структур, вплоть до рассматриваемого комплекса. структуры C - P, C - P - C и т. д. Эти структуры можно назвать функциональными.

Прикладная стоимость контактов сверхпроводников и полупроводников для микроэлектроники на протяжении многих лет, особенно с развитием технологии получения ультратонких гомогенных полупроводников, сверхпроводников, слоев и субмикронных промежутков, увеличивалась вместе с увеличением стоимости полупроводниковых охлаждаемых гетероструктур.

Новые криоэлектронные структуры на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками и полуметаллами, а также новые структуры на основе контактов сверхпроводников с нелинейными сегнетоэлектриками в параэлектрической фазе (при T> Tc) и нелинейных криопараэлектриков, в которые заложено много новых функциональных возможностей, имеют заняли свое место среди новых материалов и конструкций микроэлектроники. В то же время устройства могут появиться как бы с тройной интеграцией: интеграцией элементов, интеграцией материалов и явлений и интеграцией функций в одной твердотельной цепи с корпусом криостата.

Полезно обратить внимание на принципиальную разницу между энергетической щелью (запрещенной зоной) в полупроводнике и щелью в сверхпроводнике. В полупроводнике минимумы энергии E (p) определяются кристаллической решеткой, а наличие щели приводит при T = 0 K (при отсутствии контакта со сверхпроводником) к нулевой проводимости. В сверхпроводнике минимумы E (p) определяются взаимодействием электронов внутри электронной системы, а наличие щели приводит к бесконечной проводимости.

Вывод:

Криоэлектронику часто называют микроэлектроникой, считая ее самой высокой стадией в создании интегральных пленочных схем для компьютеров. Это определение является довольно неполным и охватывает только одну из областей криоэлектроники - интегральную криотронику на основе тонкопленочных сверхпроводящих элементов со слабой связью. В целом, интегрированная криоэлектроника, основанная на достижениях современной технологии микроэлектроники, включает в себя более широкий круг задач, без решения которых невозможно создавать устройства, работающие при криогенных температурах и подходящие для серийного производства и непрерывной работы. Дело в том, что криоэлектроника, в отличие от полупроводниковой микроэлектроники, опирается на новые физические явления, такие как сверхпроводимость, эффекты Джозефсона, явления в узкозонных полупроводниках, полуметаллы, параэлектрики и т. д., Которые проявляются только при охлаждении и ранее не были реализованы. В этом случае криоэлектронное микроустройство или встроенная криоэлектронная схема могут быть симбиозом охлаждаемой электронной схемы и охладителя (газового, электронного или радиационного). Развитие интегральной криоэлектроники, как и развитие всей микроэлектроники, знаменует собой новый этап в области электронных технологий. Внедрение криоэлектронных устройств в народное хозяйство, в коммуникационные технологии и телевидение, вычислительную технику, радиолокационную технику и приборостроение не только позволяет крупным системам уменьшать размеры, вес и стоимость оборудования при одновременном повышении его надежности, но также ведет к радикальному улучшение электрических параметров этого оборудования. Как видно из представленных материалов, уровень охлаждения в основном определяет параметры и область применения криоэлектронных устройств. Холодильные устройства на уровне азота, самые дешевые и легкие, могут все чаще использоваться в массовом мобильном оборудовании, а холодильные устройства на гелиевом уровне, потребляемая мощность которых в 25–70 раз выше, используются на стационарных, тяжелых объектах или там, где уже есть жидкость гелий. В этом случае электрические параметры устройств уровня гелия, в которых могут использоваться сверхпроводники, будут намного лучше, чем параметры устройств других уровней охлаждения, где сверхпроводники использовать нельзя. Сложно установить пределы применения криоэлектронных изделий, но совершенно очевидно, что расширение и углубление научных, конструкторских и технологических работ в области криоэлектроники в целом и, в частности, технологии криостатирования, позволяет решить ряд важные проблемы.

Первая проблема - разработка дальних и сверхдлинных инфракрасных диапазонов для приема естественного и лазерного инфракрасного излучения. Это позволяет расширить спектральные границы систем для изучения природных ресурсов Земли и планет и поставить новые твердотельные охлаждаемые лазеры, эффективно работающие в инфракрасных диапазонах, на службу человеку.

Вторая проблема - создание криоэлектронных индикаторов слабого теплового излучения на основе интегрированных приборов с зарядовой связью для тепловидения в промышленности, геологии и медицине. Есть основания полагать, что криоэлектронные показатели позволят провести раннюю диагностику ряда раковых заболеваний.

Третья проблема - создание крупномасштабных сверхчувствительных приемников малого размера, которые с высокой избирательностью и помехоустойчивостью воспринимают такие слабые радиосигналы, которые обычные приемники даже не способны обнаружить. Эти устройства широко используются в системах оповещения, управления, связи, телевидения, телеметрии, пассивной локации и навигации, космических технологиях, радиоастрономии, приборах и системах наведения. В этом случае, например, дальность обнаружения пассивного местоположения, связи, телеметрии увеличивается в 2 - 3 раза, защита от помех в 10 - 100 раз. Прием телевидения сверхдальнего диапазона через спутник в любой точке страны в новых высокоинформативных участках микроволнового диапазона возможен непосредственно с домашних телевизоров с использованием небольшой коллективной антенны. Разработка твердотельных перестраиваемых и модулированных лазеров на дальнем ИК-диапазоне и создание твердотельных микроволновых генераторов нового типа с высокой эффективностью стабильности частоты, свойственной квантовым генераторам, с выходной мощностью в десятки и сотни раз большей во всем микроволновом диапазоне, это четвертая проблема.

Криоэлектроника позволила создать большие и очень масштабные интегральные схемы нового типа на основе сверхпроводящих пленочных структур для разработки нового класса электронных компьютеров со сверхбольшей памятью, меньших по размеру и в 10-100 раз более эффективных, чем ранее существующие. В результате успешного решения технологических проблем в 1980 - 1985 гг. Были изготовлены запоминающие устройства емкостью 256 кбит на чипе, время записи и чтения 620 и 340 нс соответственно и потребляемая мощность 7 мкВт.

Согласно прогнозам старых лет, сверхпроводящий компьютер может быть изготовлен к 1990 году, с большой емкостью памяти - к 1983-1985 гг., А центральный криоэлектронный процессор - к 1985-1987 гг. Однако из-за необходимости охлаждения сверхпроводящие вычислительные устройства имеют ограниченные конкретные приложения. Значительный прогресс в разработке и производстве холодильных устройств (криостатов и холодильников с замкнутым циклом при температуре 4,2 К) значительно снижает затраты на охлаждение. Действительно, 108-разрядное запоминающее устройство состоит из пластин размером 5 * 103 1 см2, каждая из которых содержит 2 * 104 бита. Мощность, потребляемая одной платой 10-4 Вт с полным зарядным устройством, составляет 0,5 Вт.

В те же годы, согласно прогнозу, комбинированные (с газовым каскадом) и электронные твердотельные микроохладители для различных уровней криогенных температур, вакуумные и твердотельные устройства со сверхпроводящими соленоидами для освоения новых микроволновых диапазонов (миллиметровые и субмиллиметровые волны) Измерительные приборы с разрешением и чувствительностью в 100 - 1000 раз лучше существующих.

Характерной чертой электроники было разнообразие материалов, используемых в электронной технике. Наряду с диэлектриками и широкозонными полупроводниками, узкозонные полупроводники, материалы с температурой Кюри, лежащей в диапазоне криогенных температур, и сверхпроводящие материалы играют все большую роль в электронике. Если раньше широкому внедрению сверхпроводников в электронику препятствовало то, что в них сверхпроводимость начиналась с очень глубокого охлаждения, близкого к абсолютному нулю, то теперь ситуация радикально изменилась. Синтезированы новые материалы, которые уже при T ~ 20 K становятся сверхпроводниками, узкозонными полупроводниковыми твердыми растворами, полуметаллами, тонкими пленками, гетеро- и варизонными структурами на их основе, параэлектрическими пленками на SrTiO3 с высокой нелинейностью и примесными пленками. были созданы. Для реализации такой обширной программы в области криоэлектроники необходимо объединить научные силы, занимающиеся низкотемпературным материаловедением, низкотемпературной твердотельной электроникой и криогенным приборостроением, а также провести фундаментальные работы в основном области криоэлектроники, без которых невозможно преодолеть разрыв между великими открытиями в физике низких температур, прежде всего, по сверхпроводимости и свойствам узкозонных полупроводников, полуметаллов и параэлектриков при криогенных температурах, и возможности их широкой практическое использование. В то же время очевидно, что развитие криоэлектроники обогатило научно-техническое оснащение страны, способствовало более быстрому развитию физики, химии, радиотехники, связи, автоматики и приборостроения. С каждым годом влияние криоэлектроники на другие области электронных технологий возрастало. Это связано с тем, что постоянное улучшение параметров электронных устройств постепенно приближает их к теоретически возможному пределу при обычных температурах. Глубокое охлаждение позволяет выйти за эти пределы и использовать охлаждаемые устройства в одном модуле с криоэлектронными, что приводит к сложной микроминиатюризации сложного электронного оборудования.

Криоэлектронные устройства, такие как вакуумная, полупроводниковая, квантовая электроника и микроэлектроника, должны постоянно дополнять и расширять возможности электроники. Это открыло большие перспективы. На рубеже 1985 - 1995 гг. Планировалось разработать и изготовить многоспектральные криоэлектронные приемники, охватывающие средний, дальний и сверхдлинный инфракрасные диапазоны для комплексов для изучения природных ресурсов Земли и планет.

А также следующее:

• Промышленное производство приемных и передающих ИК и СВЧ криоэлектронных модулей с твердотельными и электронными охладителями, которые широко используются во многих наземных, космических и орбитальных системах связи, в радиолокации, телеметрии, управлении, автоматизации, приборостроении, ракетной технике;
• Широкое внедрение криоэлектронных устройств, обеспечивающих прямой прием через космическое пространство многих телевизионных программ в любой точке мира домашними телевизорами, а также прием телевидения сверхдальней дальности в кабинах дальнемагистральных самолетов, поездов и пароходов большой дальности, в автомобилях. В любом месте на Земле можно принимать цветное телевидение, передаваемое как наземными телевизионными центрами, так и телевизионными центрами других объектов;
• Также возможно создание крупных орбитальных криогенных вычислительных центров для единой системы навигации и прогнозирования погоды; строительство криогенных вычислительных центров на Луне и других планетах, а также комплексов, работающих в открытом космосе с охлаждением от излучения и твердых газов;
• Аппроксимация эффективности многих электронных микроволновых устройств до 100%; разработка новых участков спектра в дальнем инфракрасном диапазоне;
• Разработка массивов криотронных микропереключателей с внутренней логикой для создания автоматической телескопической связи, охватывающей народное хозяйство и население страны в единой системе.

Одной из причин, заставляющих использовать криоэлектронные устройства все шире и шире сегодня, является резкое усложнение условий, в которых должны работать электронные устройства. Каждый год диапазон рабочих температур постоянно расширяется, и если когда-то температура -80 ° C была пределом для интегральной схемы, то теперь рабочие температуры падают до -200 ° C и даже до -270 ° C, то есть почти до абсолютного нуля ... Космическое пространство с его условиями вакуума, холода, излучения, а также ракетных криогенных жидкостей (жидкий кислород, водород), гелия и затвердевших замороженных газов являются примерами сред, в которых должны функционировать современные электронные устройства.

Развитие в мире нового типа энергии, основанного на промышленном использовании криогенного водородного топлива (газ, жидкая и твердая фазы) вместо минерального топлива и электричества, быстрое освоение космоса делает все более распространенным внедрение криоэлектронных продуктов в народное хозяйство.

В заключение следует отметить, что развитие криоэлектроники, конечно, не приводит к замене существующих методов создания электронных устройств, а лишь расширяет возможности электронных технологий, особенно там, где не требуется сверхминиатюра, и высокие электрические параметры. интегральных устройств являются определяющим фактором.