КРИОЭЛЕКТРО́НИКА

КРИОЭЛЕКТРО́НИКА (от крио… и элек­тро­ни­ка) (крио­ген­ная элек­тро­ни­ка), об­ласть элек­тро­ни­ки, свя­зан­ная с ис­сле­до­ва­ни­ем при крио­ген­ных темп-рах (ни­же 120 К) спе­ци­фич. эф­фек­тов взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­маг­нит­но­го по­ля с но­си­те­ля­ми за­ря­дов в твёр­дом те­ле и с соз­да­ни­ем элек­трон­ных при­бо­ров и уст­ройств, ра­бо­таю­щих на ос­но­ве этих эф­фек­тов.

При­ме­не­ние крио­ген­ных тем­пе­ра­тур в элек­тро­ни­ке в пром. мас­шта­бах на­ча­лось в 1950-х гг., ко­гда бы­ли по­лу­че­ны важ­ные прак­тич. ре­зуль­та­ты ис­сле­до­ва­ний низ­ко­тем­пе­ра­тур­ных яв­ле­ний в твёр­дом те­ле и дос­тиг­ну­ты ус­пе­хи в об­лас­ти крио­ген­ной тех­ни­ки по раз­ра­бот­ке ма­ло­га­ба­рит­ных, эко­но­мич­ных и на­дёж­ных сис­тем ох­ла­ж­де­ния. Су­ще­ст­вен­ную роль в раз­ви­тии К. сыг­ра­ли по­треб­но­сти ра­дио­ас­тро­но­мии и кос­мич. свя­зи в ра­дио­те­ле­ско­пах и зем­ных стан­ци­ях, об­ла­даю­щих вы­со­ко­чув­ст­вит. при­ём­ны­ми трак­та­ми, с по­мо­щью ко­то­рых мож­но бы­ло бы ком­пен­си­ро­вать за­ту­ха­ния ра­дио­волн при их рас­про­стра­не­нии на боль­шие рас­стоя­ния. При­ме­не­ние крио­ген­но­го обо­ру­до­ва­ния по­зво­ли­ло сни­зить собств. те­п­ло­вые шу­мы вход­ных це­пей ра­дио­элек­трон­ных уст­ройств, пред­на­зна­чен­ных для ра­бо­ты при ма­лом со­от­но­ше­нии сиг­нал/шум.

Основные направления

Совр. К. вклю­ча­ет: крио­элек­трон­ное ма­те­риа­ло­ве­де­ние, ох­ва­ты­ваю­щее соз­да­ние ма­те­риа­лов для К. и ис­сле­до­ва­ние их элек­тро­фи­зич. свойств; К. СВЧ (в т. ч. ин­те­граль­ную), раз­ра­ба­ты­ваю­щую крио­элек­трон­ные СВЧ-при­бо­ры на ос­но­ве объ­ём­ных ак­тив­ных и пас­сив­ных эле­мен­тов, а так­же крио­элек­трон­ные ин­те­граль­ные схе­мы; сверх­про­вод­ни­ко­вую К., свя­зан­ную с соз­да­ни­ем крио­элек­трон­ных при­бо­ров и ус­т­ройств, ра­бо­таю­щих на ос­но­ве фи­зич. яв­ле­ний в сверх­про­вод­ни­ках; ин­те­граль­ную К. для вы­чис­лит. тех­ни­ки, ис­поль­зую­щую яв­ле­ния, про­ис­хо­дя­щие в плё­ноч­ных струк­ту­рах при крио­ген­ных темп-рах, для соз­да­ния ин­те­граль­ных схем, эле­мен­тов па­мя­ти боль­шой ём­ко­сти, бы­ст­ро­дей­ст­вую­щих пе­ре­клю­ча­те­лей и др. уст­ройств для ЭВМ; ин­фра­крас­ную К., ре­шаю­щую за­да­чи соз­да­ния крио­элек­трон­ных бло­ков и сис­тем, ра­бо­таю­щих в ИК-диа­па­зо­не.

Дей­ст­вие крио­элек­трон­ных при­бо­ров ос­но­ва­но на разл. фи­зич. яв­ле­ни­ях и эф­фек­тах, про­ис­хо­дя­щих в сверх­про­вод­ни­ках, по­лу­про­вод­ни­ках, про­вод­ни­ках и ди­элек­три­ках при крио­ген­ных темп-рах. Од­ним из важ­ней­ших для К. эф­фек­тов яв­ля­ет­ся сверх­про­во­ди­мость. Прак­тич. при­ме­не­ние сверх­про­во­ди­мо­сти в К. ба­зи­ру­ет­ся в осн. на тун­нель­ных яв­ле­ни­ях в тон­ко­п­лё­ноч­ных сверх­про­вод­ни­ко­вых мик­ро- и на­но­ст­рук­ту­рах, в ча­ст­но­сти на Джо­зеф­со­на эф­фек­те, с ко­то­рым свя­за­но, напр., соз­да­ние ана­ли­за­то­ров спек­тра мил­ли­мет­ро­во­го и суб­мил­ли­мет­ро­во­го диа­па­зо­нов волн, ге­не­ра­тор­ных, сме­си­тель­ных и де­тек­тор­ных уст­ройств, сверх­вы­со­ко­чув­ст­вит. маг­ни­то­мет­ров, вы­со­ко­доб­рот­ных ре­зо­на­то­ров, эле­мен­тов ан­тен­но-фи­дер­ных уст­ройств. К осн. эф­фек­там, ле­жа­щим в ос­но­ве ра­бо­ты при­бо­ров К., так­же от­но­сят­ся: не­ли­ней­ные объ­ём­ные или кон­такт­ные элек­трич. яв­ле­ния в ох­ла­ж­дён­ных по­лу­про­вод­ни­ках и не­ли­ней­ная за­ви­си­мость ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти не­ко­то­рых ох­ла­ж­дён­ных ди­элек­три­ков от на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля.

По­лу­про­вод­ни­ко­вые ма­те­риа­лы для К. под­раз­де­ля­ют­ся на ши­ро­ко­зон­ные (Si, Ge, GaAs и др.) и уз­ко­зон­ные (InSb, PbS и др.). Пер­вые по­лу­чи­ли ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние в крио­элек­трон­ных па­ра­мет­рич. уси­ли­те­лях, сме­си­тель­ных и де­тек­тор­ных уст­рой­ст­вах. На ос­но­ве уз­ко­зон­ных ПП соз­да­ны крио­ген­ные маг­ни­то­дио­ды, ИК-при­ём­ни­ки, ла­зе­ры, би­по­ляр­ные тран­зи­сто­ры, па­ра­мет­ри­че­ские и сме­си­тель­ные СВЧ-дио­ды.

Ряд ди­элек­три­ков (напр., па­ра­элек­три­ки – ти­та­нат строн­ция SrTiO₃, тан­та­лат ка­лия KTaO₃, ти­та­нат кад­мия CdTiO₃) при крио­ген­ных темп-рах 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.

Тенденции и перспективы развития

Раз­ви­тие крио­элек­трон­ных при­бо­ров в зна­чит. сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ет­ся про­бле­мой по­вы­ше­ния чув­ст­ви­тель­но­сти из­ме­рит. элек­трон­ных уст­ройств. Один из наи­бо­лее пер­спек­тив­ных пу­тей в ре­ше­нии этой про­бле­мы – глу­бо­кое ох­ла­ж­де­ние (до 80 К и ни­же), по­зво­ляю­щее су­ще­ст­вен­но улуч­шить тех­нич. ха­рак­те­ри­сти­ки обыч­ных элек­трон­ных при­бо­ров (ПП дио­дов, тран­зи­сто­ров). Кро­ме то­го, при глу­бо­ком ох­ла­ж­де­нии в твёр­дых те­лах воз­ни­ка­ют разл. фи­зич. эф­фек­ты, ко­то­рые мо­гут быть ис­поль­зо­ва­ны для соз­да­ния прин­ци­пи­аль­но но­вых при­бо­ров как для ре­ги­ст­ра­ции сла­бых сиг­налов, так и для об­ра­бот­ки и хра­не­ния ин­фор­ма­ции (напр., соз­да­ния бы­ст­ро­дей­ст­вую­щих эле­мен­тов ло­ги­ки и па­мя­ти, ра­бо­таю­щих на эф­фек­те Джо­зеф­со­на в сла­бо­свя­зан­ных сверх­про­вод­ни­ках). 

Зна­чит. про­гресс в раз­ви­тии К. свя­зан с от­кры­ти­ем в кон. 1980-х гг. вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной сверх­про­во­ди­мо­сти – яв­ле­ния, по­зво­лив­ше­го рас­ши­рить об­ласть ра­бо­чих тем­пе­ра­тур сверх­про­вод­ни­ко­вых элек­трон­ных уст­ройств вплоть до темп-ры жид­ко­го азо­та и су­ще­ст­вен­но уве­ли­чить верх­нюю час­тот­ную гра­ни­цу при­ме­не­ния та­ких уст­ройств – до даль­не­го ИК-диа­па­зо­на.

Ос­но­вой для по­строе­ния ПП ма­ло­шумя­щих крио­элек­трон­ных уси­ли­те­лей и сме­си­те­лей яв­ля­ют­ся ох­ла­ж­дае­мые па­ра­мет­рич. и сме­си­тель­ные дио­ды, по­ле­вые тран­зи­сто­ры и др. За счёт ох­лажде­ния уда­ёт­ся су­ще­ст­вен­но сни­зить уро­вень собств. шу­мов этих при­бо­ров, по­вы­сить их пре­дель­ную ра­бо­чую час­то­ту, ко­эф. уси­ле­ния и улуч­шить др. ха­рак­те­ри­сти­ки. Так, в крио­элек­трон­ных по­ле­вых тран­зи­сто­рах при их ох­ла­ж­де­нии до 80 К уро­вень собств. шу­мов сни­жа­ет­ся в 2,5–4 раза, при ох­ла­ж­де­нии до 20 К – в 5–8 раз по срав­не­нию с уров­нем шу­мов при 300 К. Из др. тран­зи­сто­ро­по­доб­ных струк­тур, при­ме­няе­мых в крио­элек­трон­ных уси­ли­те­лях и сме­си­те­лях, осо­бен­но пер­спек­тив­ны тран­зи­сто­ры с по­вы­шен­ной под­виж­но­стью но­си­те­лей за­ря­да в ка­на­ле, по­лу­чив­шие назв. HEMT-тран­зи­сто­ров (от на­чаль­ных букв слов англ. вы­ра­же­ния High Elektron Mobility Tran­sistor – тран­зи­стор с вы­со­кой под­виж­но­стью элек­тро­нов). Та­кие тран­зи­сто­ры обес­пе­чи­ва­ют вы­иг­рыш по шу­мам (в 5–8 раз) и ко­эф. уси­ле­ния до 3–5 дБ при уров­не ох­ла­ж­де­ния до 80 К. В крио­элек­трон­ных сме­си­тель­ных уст­рой­ст­вах СВЧ-диа­па­зо­на наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны ди­од­ные и тран­зи­стор­ные струк­ту­ры на ос­но­ве ох­ла­ж­дае­мых кон­так­тов ме­талл – ПП с барь­е­ром Шотт­ки. С по­мо­щью кон­так­тов сверх­про­вод­ник – изо­ля­тор – сверх­про­вод­ник (СИС-кон­так­тов) с тун­не­ли­ро­ва­ни­ем ква­зи­ча­стиц через слой изо­ля­то­ра в мил­ли­мет­ро­вом диа­па­зо­не длин волн дос­тиг­нут кван­то­вый пре­дел чув­ст­ви­тель­но­сти при­ём­ных уст­ройств; шу­мо­вая темп-ра сме­си­те­лей на ос­но­ве СИС-кон­так­тов близ­ка к ра­бо­чей темп-ре кон­так­та (обыч­но ок. 2 К). В де­тек­тор­ных и спек­траль­ных уст­рой­ст­вах мил­ли- и суб­мил­ли­мет­ро­во­го диа­па­зо­нов волн всё ши­ре ис­поль­зу­ют­ся при­бо­ры на ба­зе джо­зеф­со­нов­ских и СИС-кон­так­тов; из­вест­ны так­же де­тек­то­ры, ра­бо­таю­щие на ос­но­ве объ­ём­но­го эф­фек­та ра­зо­гре­ва элек­трон­но­го га­за из­лу­че­ни­ем (и, как след­ст­вие, – из­ме­не­ния под­виж­но­сти элек­тро­нов и элек­трич. со­про­тив­ле­ния) в об­раз­цах InSb с про­во­ди­мо­стью n-ти­па, ох­ла­ж­дае­мых до ге­лие­вых темп-р ( ≈ 4,2 К).

Крио­ген­ные фильт­ры СВЧ-диа­па­зо­на обыч­но реа­ли­зу­ют­ся на ос­но­ве по­сле­до­ва­тель­но­сти объ­ём­ных сверх­про­вод­ни­ко­вых крио­элек­трон­ных ре­зо­на­то­ров. Ха­рак­тер­ная осо­бен­ность та­ких фильт­ров – вы­со­кие доб­рот­ность и ста­биль­ность пара­мет­ров, воз­мож­ность по­лу­че­ния уз­кой по­ло­сы про­пус­ка­ния. Ли­нии за­держ­ки из­го­тов­ля­ют из сверх­про­во­дя­щих ка­бе­лей, а так­же из сверх­про­во­дя­щих плёнок оп­ре­де­лён­ной фор­мы (напр., в ви­де ме­ан­д­ра). Вре­мя за­держ­ки в та­ких ли­ни­ях оп­ре­де­ля­ет­ся дли­ной ка­бе­ля (плён­ки); в ре­аль­ных сис­те­мах оно варь­и­ру­ет­ся в пре­де­лах от 1 пс до 1 мкс.

Од­ни­ми из наи­бо­лее пер­спек­тив­ных крио­элек­трон­ных при­бо­ров но­во­го по­ко­ле­ния яв­ля­ют­ся сверх­про­во­дя­щие кван­то­вые ин­тер­фе­ро­мет­ры (см. СКВИД-маг­ни­то­метр); на их ос­но­ве раз­ра­бо­та­ны вы­со­ко­чув­ст­вит. из­ме­рит. при­бо­ры разл. на­зна­че­ния: галь­ва­но­мет­ры, вольт­мет­ры, ком­па­ра­то­ры, маг­ни­то­мет­ры, тер­мо­мет­ры и др.

При­бо­ры К. на­хо­дят всё бо­лее ши­ро­кое при­ме­не­ние в ап­па­ра­ту­ре для ра­дио­ас­тро­но­мич. ис­сле­до­ва­ний с ис­поль­зо­ва­ни­ем крио­ра­дио­мет­ров, а так­же в из­ме­рит. ап­па­ра­ту­ре, мед. ди­аг­но­стич. аппа­ра­ту­ре (ра­дио­тер­мо­мет­рия, маг­ни­то­кар­дио­гра­фия), сис­те­мах кос­мич. свя­зи, ме­тео­ро­ло­гии, спек­тро­ско­пии, био­ло­гии, сис­те­мах безо­пас­но­сти и др. Пер­спек­тивы раз­ви­тия К. свя­за­ны: с по­ис­ка­ми но­вых ма­те­риа­лов, в ча­ст­но­сти вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ных сверх­про­вод­ни­ков; со­вер­шен­ст­во­ва­ни­ем ме­то­дов соз­да­ния эле­мен­тов мик­рон­ных и суб­мик­рон­ных раз­ме­ров; раз­ви­ти­ем на­но­тех­но­ло­гии и крио­ген­ной тех­ни­ки; ин­те­гра­ци­ей боль­шо­го чис­ла эле­мен­тов в од­ном крио­ста­ти­руе­мом кор­пу­се; раз­ра­бот­кой но­вых тех­но­ло­гич. ме­то­дов с це­лью со­че­та­ния в од­ном элек­трон­ном функ­цио­наль­ном мо­ду­ле свойств крио­элек­трон­но­го при­бо­ра и мик­ро­ох­ла­ди­те­ля; соз­да­ни­ем мно­го­функ­цио­наль­ных уст­ройств в гиб­рид­но-ин­те­граль­ном ис­пол­не­нии с рез­ким умень­ше­ни­ем га­ба­рит­ных раз­ме­ров и улуч­ше­ни­ем тех­ни­ко-эко­но­мич. ха­рак­те­ри­стик крио­ген­ных сис­тем; ком­плекс­ной мик­ро­ми­ниа­тю­ри­за­ци­ей ох­ла­ж­дае­мых мно­го­функ­цио­наль­ных уз­лов ап­па­ра­ту­ры с од­но­вре­мен­ным улуч­ше­ни­ем её элек­трич. па­ра­мет­ров.