Интегральные схемы на элементах Джозефсона

В цифровых схемах, работающих на эффекте Джозефсона используется гистерезисный характер ВАХ переход Джозефсона. Сверхпроводящее состояние соответствует логическому уровню «0», а состояние при определенном напряжении между сверхпроводящими эелементами логическому уровню «1» рис. 3.9.

Рис. 3.9

В магнитоуправляемых схемах (вентелях) для перехода из сверхпроводящего состояния в состояние при определенном напряжении используется зависимость максимального тока эффекта Джозефсона постоянного тока от магнитного поля рис.3.10,а.

В инжекционных-токовых схемах используется управление внешним током инжекции рис. 3.10,б.

Рис. 3.10

Переходы Джозефсона являются тонкопленочными элементами для изготовления которых используются процессы вакуумного испарения, напыления и литографии.

Структура ИС на элементах Джозефсона показана на рис. 3.11.

Рис. 3.11

В качестве подложек для ИС на элементах Джозефсона используются часто пластины кремния, покрытые термической двуокисью кремния, обеспечивающие хорошую теплопроводность при низких температурах.

В качестве сверхпроводниковых элементов используют сплавы Pb (свинца) и Nb (ниобия).

Логические схемы Джозефсона отличаются высоким быстродействием и малым потреблением энергии. Рабочие напряжения составляют в ИС Джозефсона единицы милливольт. Предельно достижимое быстродействие может составлять единицы пикосекунд (время задержки на один вентиль).

ИС на элементах Джозефсона находятся пока на начальной стадии развития и находят все большее применение, в том числе и в сотовой связи.

К 1974 году удалось получить вещество с ~24K(). После этого довольно долго не удавалось найти вещества с более высоким значением ,пока в 1986 не было обнаружено, что в одном из купратов, содержащих медь,~35К. Это и родственные ему вещества часто называемые высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП). ВТСП часто называют вещества с >77,4К, то есть те, для которых выше температуры кипения (при атмосферном давлении) жидкого азота. Такие ВТСП и были получены уже в начале 1987 года. Очевидно, ВТСП уже можно охлаждать для перехода в сверхпроводящее состояние жидким азотом, который несравненно дешевле и доступнее жидкого гелия. Нужно сказать, что крайне оптимистические надежды, связанные с открытием ВТСП, в основном не оправдались, ибо известные ВТСП материалы (керамики) нелегко использовать в технике. Но все же, например, кабели для электропередачи на основе ВТСП уже сделаны и применяются.

В настоящее время разрабатываются станции с фильтрами из высокотемпературных сверхпроводников и усилителями на основе так называемых высокотемпературных сквидов (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device).

Усилители на сверхпроводниках имеют несколько преимуществ. Во-первых, они потребляют в тысячи раз меньше энергии: сквиду для работы нужен ток порядка 100 микроампер. Во-вторых, усилители на сквидах (в отличие от традиционных) принципиально устойчивее к перегрузке по сигналу. И главное: комбинация фильтров из высокотемпературных сверхпроводников и сквид-усилителей позволит пропустить в одном и том же частотном диапазоне гораздо большее количество каналов. Действующие в едином температурном режиме фильтры и высокочастотные усилители работают гораздо селективнее, а искажений при передаче сигнала вносят существенно меньше, чем обычная схема, при массовом производстве цены базовых станций будут того же порядка, что и у обычных ретрансляторов,т.е. от $300 000 до 1000000. Зато качество связи и эффективность работы будут гораздо выше.

Полупроводниковые интегральные устройства.

Основными активными элементами полупроводниковых интегральных микросхем могут быть либо биполярные транзисторы, либо полевые транзисторы, в качестве которых обычно используют МДП-транзисторы. Поэтому различают биполярные и МДП интегральные микросхемы. Элементы биполярной интегральной микросхемы должны быть изолированы друг от друга для исключения паразитного взаимодействия.

Соединения отдельных элементов между собой, необходимые для функционирования схемы, осуществляют с помощью тонких металлических полосок, нанесенных на окисленную поверхность кристалла.

Варианты структур полупроводниковых интегральных микросхем с различным выполнением пассивных элементов (а,б) и эквивалентная схема этих структур:

Дата добавления: 2014-01-04