История развития криоэлектроники (стр. 7 из 8)
Приборы криоэлектроники, как и приборы вакуумной, полупроводниковой, квантовой электроники и микроэлектроники, должны непрерывно дополнять и расширять возможности электроники. Это открыло огромные перспективы. На рубеже 1985—1995 гг. планировалось осуществить разработку и выпуск многоспектральных криоэлектронных приемных устройств, перекрывающих средний, дальний и сверхдальний ИК диапазоны для комплексов изучения природных ресурсов Земли и планет. А также следующее:
— промышленный выпуск приемных и приемопередающих ИК и СВЧ криоэлектронных модулей с твердотельными и электронными охладителями, которые находят широкое применение во многих наземных, космических и орбитальных системах связи, в радиолокации, телеметрии, управлении, автоматике, приборостроении, ракетной технике;
— широкое внедрение криоэлектронных приборов, обеспечивающих непосредственный прием через космос многих программ телевидения в любой точке Земли домашними телевизорами, а также прием сверхдальнего телевидения в салонах самолетов дальних рейсов, поездах и пароходах дальнего следования, в автомобилях. Возможен прием в любой точке Земли цветного телевидения, передаваемого как земными телецентрами, так и телецентрами других объектов;
— Возможно также создание крупных орбитальных криогенных вычислительных центров единой системы навигации и прогноза погоды; сооружение криогенных вычислительных центров на Луне и других планетах, а также комплексов, работающих в открытом космическом пространств с охлаждением за счет радиации и твердых газов;
— приближение к. п. д. многих электронных приборов СВЧ к 100%; освоение новых участков спектра в дальнем ИК диапазоне;
— разработка массивов криотронных микропереключателей с внутренней логикой для создания автоматической телескопной связи, охватывающей в единой системе народное хозяйство и население страны. Одной из причин, вынуждающих уже сегодня все шире применять криоэлектронные приборы, является резкое усложнение условий, в которых должны работать электронные приборы. С каждым годом область рабочих температур непрерывно расширяется, и если когда-то температура —80°С была пределом для интегральной схемы, то теперь рабочие температуры понижаются до —200°С и даже —270°С, т. е. почти до абсолютного нуля. Космическое пространство с его условиями вакуума, холода, радиации, а также ракетные криогенные жидкости (жидкий кислород, водород) гелий и отвердевшие замороженные газы - вот примеры сред, в которых должны функционировать современные приборы электроники.
Развитие в мире нового вида энергетики, основанного на промышленном использовании криогенного водородного топлива (газа, жидкой и твердой фазы) вместо минерального топлива и электроэнергии, стремительное освоение космоса делают все более обычным внедрение криоэлектронных изделий в народное хозяйство.
В заключение необходимо отметить, что развитие криоэлектроники, конечно, не приводит к замене существующих методов создания электронных приборов, а лишь расширяет возможности электронной техники, особенно там, где не требуется сверхминиатюрность, а высокие электрические параметры интегральных устройств являются определяющим фактором.
Вывод
Применение криогенных температур в электронике в промышленных масштабах началось в 50-х гг. ХХ в. в СССР, США и др. странах, когда были получены важные для радиоэлектроники практические результаты исследований низкотемпературных явлений в твердом теле и достигнуты успехи в области криогенной техники по разработке малогабаритных, экономичных и надежных систем охлаждения. Существенную роль в развитие криоэлектроники сыграли потребности радиоастрономии и космической связи в радиотелескопах и земных станциях, обладающих высокочувствительными приемными трактами, с помощью которых можно было бы компенсировать затухания радиоволн при распространении на протяженных трассах. Применение криогенного оборудования позволило снизить собственные тепловые шумы входных цепей радиоэлектронных устройств, предназначенных для работы при малом отношении сигнал-шум. В СССР результатом комплексных исследований свойств охлажденного твердого тела стало создание в 1967 системы земных станций космической связи "Орбита" для приема программ центрального телевидения через спутник связи "Молния" в диапазоне частот около 1 ГГц. В составе приемной аппаратуре земных станций применялся многокаскадный широкополосный малошумящий параметрический усилитель, первые каскады которого охлаждались жидким азотом. Важным этапом в развитие криоэлектроники явились разработка в СССР первого в мире приемника субмиллиметрового диапазона длин волн с гелиевым охлаждением и его успешные испытания в 1978 на борту научно-исследовательского комплекса "Салют-6" - "Союз-27". Установленный в 1979 на радиотелескопе АН СССР (РАТАН-600) криоэлектронный радиометр вывел этот радиотелескоп в разряд одного из самых чувствительных в мире и позволил на порядок увеличить объем информации о радиоизлучении Галактики. В 1984-86 в процессе реализации многоцелевого международного проекта "Венера - комета Галлея" криоэлектронный параметрический усилитель в составе радиоприемной аппаратуры обеспечил прием с расстояния более 100 млн. км радиолокационного изображения планеты Венера и крупномасштабных телевизионных изображений кометы Галлея с космических аппаратов "Венера-15","Венера-16","Вега-1","Вега-2".
Приложение
Таблица № 1
Некоторые свойства веществ при криогенных температурах.
Газы («криогенные») | Диэлектрики, параэлектрики, сегнетоэлектрики | Полупроводники, полуметаллы, безщелевые и узкозонные полупроводники | Нормальные металлы | Сверхпроводники |
| Ожижение азота | Фазовые переходы | Изменение подвижности и концентрации носителей | Увеличение проводимости при Т<<QD | Исчезновение активного сопротивления |
| Отвердевание азота | Аномальный ростe и изменения tg dу ионных кристалов вблизи температуры Кюри – Вейсса | Ударная ионизация при kT< Ei Эффекты шнурования токаМагнитно-диодный эффект | Аномальный скин-эффект на СВЧСпонтанное возникновение ферромагнетизма у металлов с низкими температурами Кюри | Идеальный диамагнетизм, макроскопические эффектыКвантование магнитного потокаВихревая структура у сверхпроводников 2 рода и пленок |
| Отвердевание кис-лорода, парамагнетизм кислородаОжижение и отвердевание неона | Возникновение спонтанного электрического дипольного момента | Вымораживание примесейОбразование примесных зон и явления перескокаНаведенная сверхпроводимость | Резонансные явленияИзменение теплоемкости и теплопроводности | Взаимодействие внешнего поля с энергентической щельюРеактивность поверхностного импедансаКритические параметрыСкачки теплоемкости и теплопроводности |
| Ожижение и отвердевание водородаОжижение гелия | Эффект «отрицательного сопротивления объема»Образование экситоновПоявление проводимости в примесной зоне | |||
| Сверхтекучесть гелия | Рост подвижностиАномалии теплопроводности и теплоемкости | |||
| Аномалия теплоемкости и теплопроводности | Дисперсионные явления в ИК диапазоне | Резонансные явленияМагнитоплазменные волны, геликоны | Квантовые осцилляции поверхностного импданса | Поверхносная сверхпроводимость |
| Аномалии распространения звука в гелии | Влияние нулевых колебанийОтклонение от закона Кюри-Вейсса | Туннелевое прохождениеЭлектронный парамагнитный, ядерный магнитный и циклотронный резонансы | Неравновесная сверхпроводимостьГенерация и детектирование фонов больших энергий | |
| Электронный термомагнитный эффект | ||||
| Изменения границ поглощения ИК области | ||||
| Поглощение ИК волн «мелкими» примесными уровнями | ||||
| Аномалии эффектов, связанных с переносом зарядов (гальваномагнитный, термоэлектрический, гальванотермомагнитный) | Геликоны | |||
| Уменьшение потерьРелаксационные механизмы при воздействии СВЧ облучений | Увеличение электронов фононами | Наведенная сверхпроводимость | Явления "пиннинга""Туннельный эффект" | |
| Образование "горячих носителей" и плазменных явлений | Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона | |||
| Электрокалорические явленияАномалии теплопроволности | Сверхпроводимость при наличии давления | |||
| Сверхпроводимость в вырожденных материалах | Туннельные эффекты в пленочных структурах с диэлектрической прослойкой | |||
| Инверсии подвижности и типа проводимости | ||||
| Сверхпроводимость при наличии большого давления | Охлаждение ультразвуком | Нелинейные явления в слабосвязанных сверхпроводниках |
(Рис. 1) Типы возможных структур и интегральных устройств на основе контактов сверхпроводниковых материалов с полупроводниками:
 |
| Приемники радиовидения |
| Запоминающие устройства |
| Усилители- преселекторы |
