Интегральные устройства на сверхпроводниковых туннельных переходах для приемников миллиметровых и субмиллиметровых волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, доктор физико-математических наук Шитов, Сергей Витальевич

• Шитов, Сергей Витальевич
• доктор физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Шитов, Сергей Витальевич

ПРЕДИСЛОВИЕ стр

П1 Область исследования.

П2 Порядок изложения материала.

ПЗ Основные положения, выносимые на защиту.

П4 Вопросы авторства и публикация результатов.

П5 Аннотация.

Глава 1 Сверхпроводниковые туннельные переходы на СВЧ

1.1 Сверхпроводниковые туннельные переходы - детекторы СВЧ

1.1.1 Электрофизические свойства.

1.1.2 Импеданс на СВЧ и полоса частот.

1.1.3 Эффективность и шумовая температура смесителя

1.2 Принципы построения СИС смесителей

1.2.1 Проблема согласования СИС перехода.

1.2.2 Цепочки СИС переходов.

1.2.3 Интегральные настроечные элементы.

1.2.4 Линии передачи из сверхпроводников.

1.2.5 Поверхностный импеданс.

1.2.6 Волноводные и квазиоптические СИС смесители

1.2.7 Матричные приемники.

1.2.8 Масштабное моделирование.

1.3 Сверхпроводниковые осцилляторы

1.3.1 Эффект Джозефсона.

1.3.2 Цепочки джозефсоновских переходов.

1.3.3 Распределенные туннельные переходы.

1.4 Выводы по Главе

Глава 2 Оптимизация СИС смесителей в квантовом режиме

2.1 Концепция оптимального включения

2.1.1 Оптимальное число переходов.

2.1.2 Мощность насыщения.

2.2 Волноводные СИС смесители

2.2.1 Приемники диапазонов 3, 6 и 8 мм.

2.2.2 Преобразование с усилением.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интегральные устройства на сверхпроводниковых туннельных переходах для приемников миллиметровых и субмиллиметровых волн»

П. 1. Область исследования.

Глубокое охлаждение до температуры жидкого гелия и даже ниже, по современным данным, является общим условием для повышения чувствительности регистрирующих устройств. При низких температурах тепловые флуктуации могут стать меньше квантовых флуктуации сигнала, что позволяет создавать практические приемные системы, работающие вблизи фундаментального минимума шумов. Нелинейные электродинамические системы сверхвысоких частот (СВЧ) из сверхпроводников при температуре жидкого гелия естественным образом подходят на роль малошумящих регистраторов. Одним из принципиальных преимуществ сверхпроводниковых над полупроводниковыми приборами является отсутствие в сверхпроводниках сопротивление растекания, что позволяет избавиться от потерь на СВЧ даже в условиях значительной паразитной емкости.

Высокочастотные нелинейные приборы СВЧ из сверхпроводников можно условно разделить на несколько типов. Судя по количеству публикаций, главные усилия в настоящее время сконцентрированы на исследовании туннельных переходов типа СИС (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник), приборов с эффектом Джозефсона и болометров на горячих электронах. Наибольшую известность получил макроскопический квантовый эффект Джозефсона. Этот нелинейный эффект описывает процесс протекания сверхпроводящего и быстро осциллирующего тока между двумя электродами из сверхпроводников, образующими так называемую слабую связь. Эффект Джозефсона может быть использован в различных радиотехнических приборах, например, для накачки смесителей или в метрологии. На рынке высоких технологий уже нашли свое место сверхчувствительные датчики магнитного поля на основе эффекта Джозефсона - сквиды, способные работать в качестве усилителей постоянного тока. Ведутся активные разработки цифровых устройств, в которых эффект Джозефсона используется для генерации тактовых импульсов и обработки потока данных.

В прошлом эффект Джозефсона исследовался в схемах с точечным (механическим) контактом двух сверхпроводников. Однако наиболее стабильные результаты были получены с СИС переходами, изготовленными с помощью интегральной технологии, где слабая связь реализуется за счет туннельного барьера из диэлектрика толщиной в несколько атомных слоев. В СИС переходах равный интерес представляет сильная нелинейность тока нормальных электронов. Ряд авторов называет эту нелинейность наиболее сильной нелинейностью в природе. Фоновый ток СИС детектора чрезвычайно мал и определяется физической температурой. Это позволяет использовать СИС переход в качестве счетчика фотонов с эффективностью близкой к единице. При воздействии на СИС переход высокочастотной накачки (гетеродина) происходит туннелирование, стимулированное фотонами. Этот квантовый процесс позволяет получать преобразование частоты вниз с усилением и шумами, ограниченными лишь квантовыми флуктуациями. В диапазоне частот 401000 ГГц СИС смесители на основе ниобия (ЫЬ-А10Х-ЫЬ) признаны на сегодня наиболее эффективными гетеродинными детекторами для радиоастрономии при изучении спектров межзвездного излучения. Таким образом, СИС переходы являются уникальными приборами пригодными для генерации, регистрации, усиления и цифровой обработки слабых сигналов в диапазоне от постоянного тока до частот порядка одного терагерца. По мнению автора, значение СИС переходов в сверхпроводниковой электронике сегодня аналогично роли транзисторов в полупроводниковой электронике, а изучение возможностей их интеграции в составе сложных интегральных схем - одним из наиболее перспективных направлений исследования.

П2. Порядок изложения материала.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Шитов, Сергей Витальевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ