Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники
                                 Кафедра ЭВМ
                                   Реферат
                                 по предмету
                Конструирование и Технология Производства ЭВМ
                           Тема: «Криоэлектроника»
                      Выполнил:        студент ФЗО, гр.900501,
                                             Радионов А.В.
                      Преподаватель:   доцент кафедры ЭВМ,
                                             Луговский В.В.
                                Минск — 2002
                                 СОДЕРЖАНИЕ
     1. ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………   3
     2. ПРИМЕНЕНИЕ……………………………………………….  4
     3. ПОДРОБНОСТИ………………………………………………  5
     4. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ…………………………………..   6
     5. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ………………………….   7
                                  ВВЕДЕНИЕ
      КРИОЭЛЕКТРОНИКА  (Криогенная  электроника)  –  это  область  науки   и
техники, занимающаяся применением явлений, имеющих  место  в  твердых  телах
при  криогенных  температурах  (в  присутствии  электрических,  магнитных  и
электромагнитных полей), для создания электронных приборов и устройств.
Алфеев Владимир Николаевич,
лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор,
действительный член Международной Академии технологических наук и Академии
технологических наук РФ.
      Автор открытия нелинейных  явлений  при  контакте  сверхпроводников  с
полупроводниками,  основоположник  интегральной  криоэлектроники   на   базе
наноструктур и технологий космических криогенных систем приема  сверхдальних
излучений,   руководитель   научно-технологического   направления   создания
многоспектральных приемников спутникового телевидения  и  цифровой  связи  и
систем наблюдения из космоса.
                                 ПРИМЕНЕНИЕ
      Технологии криоэлектроники включают приборы и  устройства,  в  которых
используются  явления  и  процессы,  протекающие  при  низких   температурах
(условно Т<100к).
      Большинство современных криоэлектронных приборов основано  на  явлении
сверхпроводимости, в частности, на эффекте Джозефсона, а  также  на  явлении
одноэлектронного туннелирования между сверхпроводниками.
    Cверхпроводимость – физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ
    (сверхпроводников) при  охлаждении  их  ниже  определенной  критической
    температуры и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления
    постоянному току и выталкивании  магнитного  поля  из  объема  образца.
    Сверхпроводимость открыта Х.Камерлинг-Оннесом в 1911году.
     Эффект Джозефсона – протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой
    изолятора, разделяющий  два  сверхпроводника  (так  называемый  контакт
    Джозефсона). Если ток не превышает критического  значения,  то  падение
    напряжения на контакте  отсутствует,  если  превышает  –  то  возникает
    падение напряжения и контакт излучает ЭМ волны.
    Туннелирование – прохождение через потенциальный  барьер  микрочастицы,
    энергия которой меньше высоты барьера.
      По назначению криоэлектронные приборы  можно  разделить  на  несколько
групп:
    — приборы квантовой метрологии;
    — низкочастотные измерительные приборы  –  сверхпроводниковые  квантовые
      интерферометрические датчики (СКВИДы) для измерения магнитных полей;
    — пассивные  СВЧ-устройства,  в  том  числе  параметрические  усилители,
      смесители, видеодетекторы и болометры, cверхпроводниковые  цифровые  и
      импульсные устройства,  в  том  числе  ячейки  логики  и  памяти  ЭВМ,
      аналогоцифровые  преобразователи,  стробоскопические   преобразователи
      сигналов.
      Криоэлектронные приборы и устройства используются в различных областях
электроники,  метрологии  и  стандартизации,  для  создания   вычислительной
техники,  в  интересах  обороны,  освоения   космического   пространства   и
радиоастрономии, а также других  отраслей  промышленности,  морского  флота,
сельского хозяйства, геологии.
                                 ПОДРОБНОСТИ
      Явление сверхпроводимости впервые наблюдал Камерлинг-Оннес в Лейдене в
1911 г., спустя три года после того,  как  им  впервые  был  получен  жидкий
гелий.
      Электрическое сопротивление в сверхпроводящем  состоянии  точно  равно
нулю или, по крайней мере, так близко к нулю, что не наблюдалось  ослабления
тока  в  сверхпроводящем  кольце  в  течение  более  чем  года   вплоть   до
прекращения  эксперимента.  Уменьшение  сверхпроводящего  тока  в  соленоиде
изучалось Файлом и Милсом,  которые  измеряли  магнитное  поле,  создаваемое
сверхпроводящим током. Они  установили,  что  время  спада  сверхпроводящего
тока  составляет  не  менее  100000   лет.   В   некоторых   сверхпроводящих
материалах,  особенно  в  тех,  которые  используются  для   сверхпроводящих
магнитов,  наблюдались  конечные  времена   спада   вследствие   необратимых
перераспределений магнитного потока в сверхпроводнике.
      Магнитные свойства  сверхпроводников  столь  же  нетривиальны,  как  и
электрические  свойства.  Нулевое  электрическое  сопротивление   достаточно
хорошо характеризует сверхпроводящее состояние, но не  может  объяснить  его
магнитных свойств. Экспериментально обнаружено, что сверхпроводник в  слабом
магнитном  поле  будет  вести  себя  как  идеальный  диамагнетик,  в  объеме
которого магнитная индукция равна нулю. Если поместить образец  в  магнитное
поле и охладить его ниже температуры перехода в  сверхпроводящее  состояние,
то  магнитный   поток,   первоначально   пронизывающий   образец,   окажется
вытолкнутым  из  него.  Этот  эффект  называется  эффектом   Мейснера.   Эти
уникальные   магнитные   свойства   играют   важнейшую   роль   в   описании
сверхпроводящего состояния.
      Известно,   что   сверхпроводящее   состояние    представляет    собой
упорядоченное  состояние  электронов  проводимости   металла.   Упорядочение
заключается в том, что свободные  электроны,  выше  температуры  перехода  в
сверхпроводящее состояние, при охлаждении ниже этой температуры  связываются
в пары. Природа процесса образования электронных пар была впервые  объяснена
в 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером.
      Многие металлические элементы периодической системы, а  также  сплавы,
интерметаллические  соединения   и   полупроводники   могут   переходить   в
сверхпроводящее состояние.
                             ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
      За  рубежом  (США,  Япония)  разработаны  и  уже  нашли   практическое
применение в электронике различные типы  низкотемпературных  сверхпроводящих
устройств. Наиболее  известными  из  них  являются  СКВИДы,  используемые  в
магнитомерах. Начиная с 1978 г. стандарт Вольта  устанавливается  с  помощью
эффекта Джозефсона, позволяющего связать напряжение с  частотой.  Достигнуты
блестящие  результаты   в   области   измерения   пикосекундных   импульсов.
Развивается техника создания смесителей миллиметрового диапазона  длин  волн
для  применения  в  радиоастрономии.  В   области   вычислительной   техники
разработаны  сверхпроводниковые  приборы  и  устройства  для  аналоговой   и
цифровой обработки сигналов, значительно превосходящие по  своим  параметрам
образцы, созданные на основе других технологий  и  используемые  в  реальных
системах. Особенно заметный сдвиг в  развитии  криоэлектронной  техники  был
достигнут в связи  с  изобретением  охлаждаемых  твердотельных  лазеров  ИК-
диапазона и  освоением  космического  пространства.  В  космической  технике
успешно  используются   криогенные   установки,   обеспечивающие   получение
температуры 4,2К для криоэлектронного приемника субмиллиметрового  диапазона
волн (орбитальный научно-исследовательский комплекс «Салют-6» – «Союз-27»).
      Однако криоэлектроника развивается не так быстро  как  другие  отрасли
микроэлектроники и функциональной электроники. Среди причин,  тормозящих  ее
развитие  –  слабая  изученность   электронных   процессов   в   охлаждаемых
структурах  и  пленках  на  базе  твердого  тела,  недостаточность  реальных
конструкторско-технологических идей  по  созданию  интегральных  электронных
приборов на основе этих процессов, и, особенно,  надежных,  воспроизводимых,
многоэлементных, многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами.
      Практически отсутствуют методы снижения удельного  веса  и  затрат  на
охлаждение   интегральных   приборов   до   уровня   затрат    на    обычное
термостатирование,  увеличения  срока  непрерывного   действия   охлажденных
устройств.
                           ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
   1. Большая советская энциклопедия.
   2.