Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 47 из 102)

2.В параметрических усилителях роль активного элемента выполняет либо p-n-переход в полупроводнике с высокой подвижностью носителей заряда при температурах не ниже 90 К, либо переход металл — полуметалл (InSb). Этот полуметалл при температурах ниже 90 К приобретает свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей заряда в 100—1000 раз выше, чем германий и кремний. В параметрическом усилителе периодически изменяется емкость колебательной системы. Мощность, потребляемая параметрическими усилителями, равна примерно 0,02—0,1 Вт.

3. Свѐрхпроводниковые усилители также основаны на принципе параметрического усиления, но в них периодически изменяется не емкость, а индуктивность колебательной системы. Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая пленка сверхпроводника при температуре ниже T_k0. В сверхпроводящей пленке возникает так называемая сверхиндуктивность L_к ,обусловленная взаимодействием возникающих в ней высокоэнергетических электронных пар. Индуктивность L_к при определенном выборе геометрии пленки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать такие электронные пары, изменяя их концентрацию п_к, и тем самым периодически изменять индуктивность L_к :

L_kl /n_k

4. Принцип действия параэлектрических усилителей основан на использовании явления высокой поляризации некоторых диэлектриков (например, СrTiO₃) при низких температурах.

Рисунок 1.20.2

Тангенс угла диэлектрических потерь таких диэлектриков (параэлектриков) при температурах ниже 80 К сильно зависит от внешнего электрического поля. Активный элемент пароэлектрического усилителя представляет собой конденсатор, заполненный параэлектриком, помещенным в электромагнитное поле (накачка). Емкость конденсатора

периодически изменяется с частотой накачки, что позволяет

осуществить параметрическое усиление (рис. 1.20.2). На рис. 1.20.2, а приведена структура активного элемента параэлектрического усилителя, а на рис. 1.20.2,6— зависимость его емкости от напряжения при температуре 4,2 К. Пунктиром показана эта же зависимость при нормальной температуре (300 К).

5. Криоэлектронные резонаторы теоретически должны иметь бесконечно большую добротность из-за ОТСУТСТВИЯ потерь в поверхностном слое сверхпроводящих стенок. Однако практически потери существуют вследствие инерционности электронов. Наибольшая добротность достигается в дециметровом диапазоне волн. При длине волны 3 см добротность криоэлектронных резонаторов равна примерно 10⁷—10⁹. Сверхпроводящие резонаторы обычно работают при гелиевых температурах (Т=4,2 К).

Криоэлектронный фильтр представляет собой цепочку последовательно соединенных сверхпроводящих резонаторов. Избирательность такого фильтра в полосе запирания повышена в 10³10⁶раз по сравнению с обычными фильтрами.

Криоэлектронные линии задержки представляют собой тонкий кабель из сверхпроводника, свернутый в спираль и помещенный в криостат. Время задержки определяется длиной кабеля и соответствует единицам или долям миллисекунды. Для получения времени задержки, измеряемого наносекундами или пикосекундами, используют сверхпроводящие меандры - извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих пленок

на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределенную индуктивность такой линии, можно управлять временем задержки.

Большие перспективы создает использование в микроэлектронике эффектов Джозефсона. Открытие эффекта Джозефсона туннельных переходах двух слабо связанных сверхпроводников сделало возможным создание сверхпроводящих систем обработки информации с высокими значениями параметров. Быстродействие этих систем достигает 10 пс (10¹с), а мощность рассеяния 100 нВт (10⁷ Вт), т. е. показатель качества — произведение быстродействия на мощность — порядка 10¹⁸Дж или в миллион раз выше_, чем в кремниевых микросхемах. Основная трудность разработки БИС, на основе эффекта Джозефсона связана с получением стабильных, воспроизводимых тонких (порядка 2 нм) изолирующих пленок, а также с работой в условиях глубокого охлаждения.

1.20.2 Хемотронные приборы

Хемотроника возникла на стыке двух наук – электрохимии и электроники. Основой хемотроники являются приборы, использующие принцип электрохимического преобразования в твердых и жидких электролитах. Носителями заряда в этих приборах служат ионы, обладающие малой подвижностью (меньше подвижности носителей в полупроводниках в 10⁶–10⁸ раз), что определяет их область применения.

К основным достоинствам хемотронных приборов можно отнести малую потребляемую мощность, высокую чувствительность по входу, малый уровень собственных шумов, достаточно высокую надежность, невысокую стоимость. Недостатками хемотронных приборов являются малый частотный диапазон (0 – 1 кГц) и большие габариты.

Наиболее перспективны твердофазные и жидкофазные приборы многократного действия. В первых используют образование твердой фазы на электродах или растворение материала электродов при прохождении электрического тока, во вторых, – изменяют концентрацию раствора электролита в приэлектродных областях.

Твердофазный прибор представляет собой герметичный стеклянный капилляр, заполненный двумя столбиками ртути, разделенными промежутком из электролита. В качестве электролита применяется водный раствор йодных солей в йодистом калии. От ртутных столбиков через торцы запаянного стеклянного капилляра сделаны выводы из никеля. При пропускании тока через такой прибор осуществляется перенос ртути с электрода на электрод, что приводит к перемещению электролитного промежутка, по которому регистрируется ток или время его прохождения.

Твердофазные хемотронные приборы используют для построения схем интеграторов тока с временем интегрирования до сотен и тысяч часов, погрешностью 1% и мгновенным неразрушающим считыванием результатов и датчиков неэлектрических величин (механических, акустических и др.), обладающих простой конструкцией, высокими надежностью и

чувствительностью. Схемы с такими приборами требуют введения температурной компенсации, что является их недостатком. Интеграторы применяют для счетчиков наработки и контроля различных устройств РЭА, счетчиков импульсов, реле времени, устройств определения заряженности аккумуляторов и др.

Жидкофазный прибор является диодом с двумя инертными платиновыми электродами, помещенными в герметичную ампулу, заполненную электролитом, образующим с материалом электродов обратимую окислительновосстановительную систему. Обратимые реакции протекают непрерывно и одновременно в двух противоположных направлениях. Электролитом служит водный раствор йодида калия с добавкой кристаллического йода.

При отсутствии внешнего напряжения на электродах устанавливается динамическое равновесие, когда скорости реакций восстановления (присоединение электронов атомами, молекулами, ионами) и окисления (отдача электронов атомами, молекулами, ионами) выравниваются и концентрация компонентов не изменяется.

При подаче напряжения на электроды (электролизе) динамическое равновесие нарушается. На аноде преобладает процесс окисления, когда отрицательно заряженные ионы отдают во внешнюю цепь электроны, а на катоде – процесс восстановления, при котором электроны поступают из внешней цепи. Таким образом, во внешней цепи проходит ток. Чтобы избежать побочных эффектов внешнее приложенное напряжение должно быть 0,5 В.

В электролите происходят медленные диффузионные процессы, направленные на выравнивание нарушенного равновесия и разностей концентраций, которые возникают у электродов из-за скопления ионов одного знака. Появляется собственная эдс, называемая концентрационной, так как процесс электролиза всегда сопровождается поляризацией. Эта эдс противоположна эдс, действующей извне. На переменном токе процессы диффузии ограничиваются поверхностью электрода, а поляризация уменьшается во много раз.

Жидкофазные хемотронные приборы обладают существенным недостатком, связанным с узким температурным диапазоном (0 – 50 °С), так как используются водные растворы электролита. Применение других растворов затруднительно. Более перспективны для использования не двухэлектродные жидкофазные хемотронные приборы, а четырех-, пяти- и шестиэлектродные, так как это позволяет улучшить параметры приборов и расширить их функциональные возможности.

Жидкофазные хемотронные приборы используют для интегрирования малых токов (нано- и микроамперного диапазона), хранения информации в течение нескольких часов с малой погрешностью, построения усилителей постоянного тока с малым дрейфом нуля и небольшим уровнем шумов из-за узкого частотного диапазона (от 1 до 100 Гц), схем сравнения и моделирования биопроцессов.

В автоматике применяют электрохимическое управляемое сопротивление с активной жидкой средой – мимистор, который представляет собой две металлические пластины с электролитом между ними. Одна пластина является резистивным электродом с двумя выводами, а другая – управляющим электродом. При изменении полярности управляющего сигнала на резистивный электрод осаждается металл или растворяется часть его слоя, что ведет к изменению сопротивления мимистора. Мимистор выполняет роль переменного сопротивления, ячейки памяти, реле времени.