Доклад: Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах. Материалы в радиоэлектронике реферат

Основные материалы микроэлектроники, применяемые в процессе ее развития

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ РАЗВИТИЯ

Содержание

Введение

1. Основные этапы развития электроники

1.1. Основная тенденция развития микроэлектроники

1.2. Кремний и углерод как основные материалы технических и живых систем

2. Основные материалы микроэлектроники

2.1 Физическая природа свойств твёрдых тел

2.2. Ионные и электронные полупроводники

2.3. Новые перспективные материалы для електроники

Выводы

Литература

Введение

Бурное развитие радиоэлектронной аппаратуры не могло происходить без существенного улучшения её параметров. В радиоэлектронике и электронной технике появилось новое, успешно развивающееся направление – микроэлектроника. За сравнительно короткий исторический отрезок времени (первый транзистор был изготовлен в 1948 году, первая интегральная схема – в 1958 году) микроэлектроника стала ведущим направлением, определяющим прогресс в развитии радиоэлектронной аппаратуры.

Твердотельная электроника – это новое научно-техническое направление, которое посредством физических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмов решает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.

В качестве основных конструкционных материалов в микроэлектронике используются полупроводники, металлы и диэлектрики. В данном реферате рассмотрены основные материалы, которые нашли применение в микроэлектронике.

1. Основные этапы развития электроники

В 1948 г. весь потенциал твёрдотельной электроники скрывался в единственном экспериментальном образце транзистора, действие которого было не понятно даже его творцам. Через 10 лет твёрдотельные приборы уже выиграли сражение с лампами за вычислительную технику и породили объект нового поколения – организованное скопление транзисторов в одном кристалле, называемое интегральной микросхемой.

Современный кристалл массой в десятки миллиграммов обладает значительно большей вычислительной производительностью, чем первые ЭВМ с массой в десятки тонн.

Микроэлектроника – это способ организации электронных процессов, который позволяет обрабатывать информацию в малых объёмах твёрдого тела. И идеальной целью является система, сочетающая совершенство организации мозга с быстродействием твёрдотельных процессов.

Взаимопроникновение процессов разработки, синтеза, функционирования и деградации в перспективе ведёт к схеме реализованной природой в биосистемах. При этом в микроэлектронике технология приобретает функциональное значение и определяет принципиальные возможности систем.

Точные информационные системы создаются методами физико-химической технологии. Ещё в 1874 г. Браун открыл выпрямляющее свойство контакта металл-полупроводник (PbS), и приборы этого типа даже получили довольно широкое распространение в последней четверти прошлого века. Но изобретение вакуумного диода (1904, Флеминг) и триода (1906, Ли де Форест) положило конец этой эре полупроводников. Настоящее время полупроводников наступило только в 50-х годах после изобретения транзистора, при этом уместно вспомнить работы Лишенфильда, который ещё в 1925 году высказал идею возможности создания полевого транзистора. Однако первым в 1948 году Бардиным, Браттейном и Шокли был создан биполярный транзистор, а спустя 10 лет был реализован и полевой транзистор.

1.1 Основная тенденция развития микроэлектроники

Современная технология микроэлектроники основана на двух принципах: последовательном формировании тонких слоёв или плёнок при определённых режимах и создании топологических рисунков с помощью микролитографии. Технологические основы этих принципов уходят вглубь веков.

Одним из функциональных вопросов технологии является вопрос можно ли полностью устранить механические совмещения и осуществить синтез твёрдотельной структуры в едином физико-химическом процессе. Те сведения, которыми мы сегодня располагаем относительно материалов, физико-химической технологии и физических принципов не позволяют дать положительный ответ. Однако развитие живой природы (генетический код), история развития техники говорит о том, что такое решение возможно. Но радикальные изменения в технологии всегда сопряжены с новой физикой, новыми материалами и новой элементной базой.

Основная тенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более 40 лет – повышение степени интеграции N. Перспективность этой тенденции обусловлена тем, что при отлаженном серийном производстве стоимость изделий практически не зависит от их сложности и определяется в основном производительностью оборудования. Повысить степень интеграции N можно за счёт уменьшения размеров элементов или за счёт увеличения размера кристалла. Оба эти способа успешно реализуются на практике.

Здесь уместно отметить, что реальные машины создавали электротехники, ламповые – радиоинженеры, транзисторные – специалисты по физике твёрдого тела и твёрдотельной электронике, ЭВМ на малых микросхемах – специалисты по логическому проектированию, ЭВМ на больших интегральных микросхемах – специалисты по системотехнике.

1.2 Кремний и углерод как основные материалы технических и живых систем

Кремний был единственным материалом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральной схемотехники, и он остаётся практически единственной основой планарной технологии до настоящего времени. Несмотря на многообразие новых материалов и новых принципов, кремний и сегодня широко используется.

Среди полупроводников у кремния есть единственный серьёзный соперник – арсенид галлия. Обладая более высокой подвижностью носителей, GaAs позволяет достичь в 5 раз более высоких пределов быстродействия. Полуизолирующий арсенид галлия открывает путь к эффективной внутрисхемной изоляции, а как следствие – к более низкой мощности рассеяния, чем у кремния. Кремний не позволяет реализовать излучающие диоды, но он обеспечивает фотоприёмными системами весь видимый и близкий ИК-диапазоны.

Наконец, существует ещё два сильных фактора: доступность материала и его нетоксичность для человека. Кремний полностью удовлетворяет обоим критериям. Приведём данные распространённости в земной коре наиболее часто используемых материалов микроэлектроники: Si – 26,0%, Al – 7,45%, C – 0,35%, P – 0,12%, Gd – 7,5∙10-4 %, As - 5∙10-4%, Ge - 4∙10-4%, Ga - 1∙10-4%.

И так, сегодня монокристаллический кремний – основа активной структуры СБИС, поликремний – связи и сопротивления, окисел и нитрид кремния – идеальные диэлектрики, а также оптические волноводы. Кремний используется для чувствительных датчиков давления.

Кремний и углерод находятся в 4 группе периодической системы. Углерод служит основой жизни биосистем, а кремний основой “жизни” кристаллических информационных систем. Таким образом мыслящие C-системы дополняют себя быстродействующими Si-системами.

Основные материалы микроэлектроники

2.1 Физическая природа свойств твёрдых тел

В качестве основных конструкционных материалов в микроэлектронике используются полупроводники, металлы и диэлектрики. Исторически различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками связывалось с особенностями электропроводности этих тел. К металлам относили вещества, имеющие удельную проводимость, измеряемую величинами порядка 104 (Ом∙см)-1 . Вещества, имеющие удельную проводимость в пределах 10-7 (Ом∙см)-1 и меньшую, относили к диэлектрикам. Все материалы, которые имели удельную проводимость в пределах 104 ÷ 10-7 (Ом∙см)-1, считались полупроводниками. С физической точки зрения такое определение не является достаточно точным. Например, с помощью введения примесей можно увеличить электропроводимость полупроводников на несколько порядков, сделав её по величине соизмеримой с проводимостью металлов, но при этом они не станут металлами. От металлов полупроводники отличаются не величиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости, прежде всего, от температуры.

2.2 Ионные и электронные полупроводники

В природе существует два типа полупроводниковых веществ: ионные полупроводники и электронные полупроводники.

Рис. 2.1. Образование двухкомпонентных полупроводников

Сегодня ионные полупроводники не получили широкого распространения в технике, так как при прохождении через них электрического тока изменяется их состав, структура и форма.

К электронным полупроводникам относятся огромное количество самых различных веществ. Так как в этих веществах ток переносится электронами, то при прохождении не происходит переноса вещества и приборы могут эксплуатироваться длительное время. К числу этих полупроводников относятся 13 простых веществ: бор B, углерод C, кремний Si, фосфор P, сера S, германий Ge, мышьяк As, серое олово Sn, сурьма Sb, висмут Bi, селен Se, теллур Te, йод J. К ним относятся и ряд бинарных соединений типа AXBVIII-X, где A – элемент группы X, а B – элемент группы VIII-X (рис. 1.1). Такие соединения как AgCl, CuBr, KBr, LiF и др. типа AIBVII ещё не нашли широкого применения.

В ближайшее время будут применены соединения типа AIIBVI, среди которых в первую очередь CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, ZnSe, HgTe, HgSe. Их свойства сейчас интенсивно изучаются. Наряду с сульфатами, теллуридами и селенидами очень перспективными материалами являются антимониды, арсениды, фосфиды, нитриды алюминия, галлия, индия, бора, относящиеся к типу AIIIBV. Эти элементы уже сегодня являются одними из важнейших полупроводниковых материалов. Полупроводниковыми свойствами обладают SiC и SiGe, относящиеся к типу AIVBIV. Полупроводниковые свойства обнаружены у соединений типа AIVBVI, среди которых PbS, PbSe, PbTe, соединений типа AIBVI, среди которых CuS, CuO, Cu2O и др. Перспективными представляются сложные соединения и твердые растворы типа AXB1VIII-XB2VIII-X; A1XA2XBVIII-X; A1XA2XB1VIII-XB2VIII-X, например, GaAsP, JnGaSb, ZnCdSeTe. Кроме этих соединений полупроводниковыми свойствами обладает большое количество более сложных соединений. Наряду с неорганическими материалами к полупроводникам относятся и органические материалы, такие как антрацен, фталоцианин, коронен и целый рад других.

2.3 Новые перспективные материалы для электроники

В науке и технике ведётся целенаправленный поиск материалов, обладающих новыми свойствами. В последние годы учёными интенсивно изучались структура и свойства таких материалов как серое олово, теллурид ртути, сплав висмута с сурьмой. Наиболее интенсивные свойства серого олова и теллурида ртути – это отсутствие запрещённой зоны. Эти материалы относят к бесщелевым полупроводникам. Запрещённая зона в них отсутствует при любых воздействиях, не меняющих симметрию кристаллической решётки: нагрев и охлаждение в определенном температурном интервале, всестороннее сжатие, введение примесей. Сплавы висмута с сурьмой, наоборот, приобретают новые свойства при различных внешних воздействиях. Так, например, под действием всестороннего давления, магнитного поля, при изменении химического состава этот материал может перейти в состояние, не имеющее запрещённой зоны. В некоторых сплавах системы висмут-сурьма под действием мощного магнитного поля образуются экситонные фазы, которые представляют собой электроны и дырки, объединенные в устойчивые комплексы, напоминающие атомы водорода и обладающие исключительно интересными свойствами. Эти свойства сейчас интенсивно изучаются с целью практического использования.

Выводы

Бурное развитие твердотельной электроники началось с изобретения транзистора в 1948 г.

Микроэлектроника – это способ организации электронных процессов, который позволяет обрабатывать информацию в малых объёмах твёрдого тела.

Основная тенденция микроэлектроники, устойчиво сохраняющаяся уже более 40 лет – повышение степени интеграции N.

Твердотельная электроника – это научно-техническое направление, которое посредством физических, химических, схемотехнических и технологических методов и приёмов решает проблему создания высоконадёжных электронных устройств.

Литература

1. Достанко А.П. Технология интегральных схем. – Мн.: Вышэйшая школа, 1982. – 207 с.

2. Физическое металловедение / Под редакцией Кана Р., вып. 2. Фазовые превращения. Металлография. – М.: Мир, 1968.

3. Аваев Н.А., Наумов Ю.Ф., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. – М.: Радиосвязь, 1991.

4. Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. – М.: Высшая школа, 1980. – 450 с.

5. Чистяков Ю.Д., Райкова Ю.П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. –М.: Металлургия, 1979. – 230 с.

topref.ru

Реферат - Развитие средств связи

В нашей стране создается единая автоматизированная система связи. Для этого развиваются, совершенствуются и находят новые области применения различные технические средства связи. Еще недавно междугородняя телефонная связь осуществлялась исключительно по воздушным линиям связи; при этом на надежность связи влияли грозы и возможность обледенения проводов. В настоящее время все шире применяются кабельные и радиорелейные линии, повышается уровень автоматизации связи. Все разнообразие используемых в технике и быту систем связи, в основном радиосвязи, можно свести к трем видам, отличающимся способами передачи сигнала от передатчика к приемнику. В первом случае используется ненаправленная радиосвязь от передатчика к приемнику, типичная для широкого вещания радио и телевидения. Такой способ радиосвязи имеет то преимущество, что позволяет охватить практически неограниченное число абонентов - потребителей информации. Недостатками такого способа являются неэкономное использование мощностей передатчика и мешающее влияния на другие аналогичные радиосистемы. В тех случаях, когда число абонентов ограничено и нет необходимости в широковещании, используется передача сигнала с помощью направленно излучающих антенн, а также при помощи специальных устройств, называемых линиями передачи сигнала. В широковещательной связи обычно используется однонаправленная передача сигнала от радиостанции к потребителю, при направленной же связи, как правило, применяется двусторонняя связь, то есть на каждом конце системы связи имеются и передатчик и приемник ( приемопередатчик - ПП). При направленной связи не нужны передатчики большой мощности, и их можно установить на обоих концах системы. При направленной магистральной связи на дальние расстояния через пространства и в линиях передачи используются ретрансляторы, которые ставятся вдоль трассы. Они усиливают сигнал, очищают его от помех и передают дальше. Рассмотрим принципы работы основных видов линий передачи сигналов, начиная от двухпроводной линии, которая начала применятся в начале нашего века и кое-где в сельских местностях используется до сих пор для передачи телеграфных и телефонных сигналов, и кончая современной волоконно-оптической линией, которая наряду с космической (спутниковой) связью несомненно составит связь будущего. Двухпроводная линия: провода подвешиваются на столбах, расстояние между которыми порядка метра. Применяется для передачи сигналов на волнах порядка сотен и более метров, что соответствует частотам в диапазоне практически от 0 до 1 МГц. Используется для трансляции местного радиовещания. Электрический кабель. Эл. каб. делятся на низкочастотные и высокочастотные, одножильные и многожильные. Кабеля применяются для передачи сигналов на частотах до 1 ГГц, что соответствует длинам волн от 30 см и более. Примером может служить телевизионный кабель, соединяющий антенну с телевизионным приемником. Метрический волновод представляет собой полую металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения. Электр. волны могут распространятся по волноводу отражаясь от стенок. Металл. волноводы получили применение в качестве линий передачи сантиметровых и миллиметровых волн. Круглый волновод не получил применение для дальней связи, так как требуется выполнить прямолинейность трассы. Это оказалось очень дорогостоящим. Диэлектрический волновод - это стержень из диэлектрического материала, в котором могут распространятся электромагнитные волны с малыми потерями. Они получили применения для передачи сигнала на миллиметровых волнах на сравнительно короткие расстояния (метры, десятки метров). Они оказались чрезвычайно перспективными для применения в диапазоне световых волн, точнее, в диапазоне инфракрасных волн с длиной волны порядка микрометра. Радиорелейная линия. Чтобы обеспечить передачу сигнала за пределы прямой видимости, антенны с ретрансляторами помещали на высоко летящие объекты: самолеты и спутники, а также на специальные мачты высотой до 100 метров, устанавливаемые вдоль трассы на расстоянии 40-50 км друг от друга. Радиорелейные линии сейчас широко применяются. Их можно увидеть вдоль магистральных шоссе и железнодорожных линий. Лучеводная линия. В коротковолновой части миллиметрового диапазона волн, субмиллиметровом диапазоне и вплоть до светового диапазона используются лучеводные линии передач. Представляют собой рад линз на подставках в свободном пространстве или помещенных в трубу, выполняющую роль механической защиты. Как и волноводные, лучеводные линии не нашли широкого применения в качестве магистральных линий дальней связи, прежде всего по экономическим причинам. Слишком дорого обходится прокладка таких линий из-за требований к точности установки линз или зеркал. Земля “дышит”, и линзы смещаются. Волоконно-оптическая линия. Основу вол.-опт. линии составляет волоконно-оптический кабель, главным элементов которого является волоконный световод -стеклянное волокно из высококачественного оптического стекла. Стекла оказались более прозрачными в инфракрасном диапазоне. В настоящее время глубоко начались развиваться компьютерные сети. С помощью их можно осуществить практически любой способ передачи информации.

www.ronl.ru

Доклад - Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах

Московскийгосударственный институт электроники и математики

(техническийуниверситет)

Курсовая работа

для представления на кафедру«Материаловедение»

на тему:

Магнитометрына СКВИДах.

Выполнил: Подчуфаров А.И.

Преподаватель:Петров В.С.

Зачтено:04.06.96

ФИТ ЭП-41

Москва 1996 г. Содержание:

1. Сверхпроводимость. Основныепараметры сверхпроводников.....3

2. ЭффектДжозефсона.........................................................................4

3. Магнитометр....................................................................................5

4. Сверхпроводящий материал — соединение Nb3Sn...........................8

5. Получение джозефсоновскихпереходов.........................................9

6. Списоклитературы..........................................................................13

1.Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников.

Явление сверхпроводимости состоит втом, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю,электросопротивление в некоторых материалах исчезает. Эта температураназывается критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость обнаружена более чему 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк£

23К), атакже у керамик (Тк >77,4К – высокотемпературныесверхпроводники.)

Сверхпроводимость материалов с Тк£

23Кобъясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположнымиспинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействиюэлектронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точкизрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистикеФерми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всемфизическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняетсявзаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.

По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводникиделятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их вмагнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводникаравна нулю (эффект Мейсснера). Напряжонность магнитного поля, при которомразрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называетсякритическим магнитным полем Нк. У сверхпроводников второго родасуществует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 >Н >Нк1,где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическоеполе. Н <Нк1– индукция в сверхпроводникевторого рода равна нулю, Н >Нк2 –сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго родаможно пропускать ток силой: <img src="/cache/referats/1721/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> (критический ток).Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит Нк1,вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрьобразца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:

Вещество

Тк К

m

0Нк1 Тл

m

0Нк2 Тл

7.2

0.55

9.2

0.13

0.27

7.8

5.3

4.4

3.7

V3Si

17.1

23.4

Nb3Sn

18.2

24.5

Nb3Al

18.9

Nb3Ga

20.3

34.0

Nb3Ge

23.0

37.0

(Y0.6Ba0.4)2CuO4

160±

Y1.2Ba0.3CuO4-8

102

18 при 77К

2. Эффект Джозефсона.

Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым»контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдеттуннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящихкуперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны междусобой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар дажечерез очень тонкий слой изолятора.

Наличие связи приводит к тому, что в следствиипроцесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этоминтенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функциймежду системами. Если разность фаз j

=j1 — j2, тогда из квантовоймеханики следует . Энергии в точках поодну и другую сторону барьера Е1 и Е2 могут отличатьсятолько если между этими точками существует разность потенциалов Us. В этом случае (1).

Если сверхпроводники связаны между собой с однойстороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можновызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом <img src="/cache/referats/1721/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><img src="/cache/referats/1721/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> и поток Ф через контурможет быть лишь nФ0, где n=0,±

1,±2,±3,… Джозефсон предсказал, что (2)

Где:

Is– ток черезконтакт

Ic–максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт

j

— разность фаз.

Из (1), (2) следует <img src="/cache/referats/1721/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">.

Посколькуна фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, тосверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинствеслучаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из несколькихконтактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовыйинтерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого дляуправления током, зависит от площади контура и может бать очень мала. ПоэтомуСКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.

Известны несколько типов джозефсоновских контактов,но наиболее распространены следующие:

изолятор

»

1нм сверхпроводники

туннельный переход переход типа «мостик»

3. Магнитометр.

Магнитометр — прибор наоснове джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля иградиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов:напостоянном токе и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока.

A B U

<img src="/cache/referats/1721/image016.gif" v:shapes="_x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138 _x0000_s1139 _x0000_s1140 _x0000_s1141 _x0000_s1142 _x0000_s1143 _x0000_s1144 _x0000_s1145 _x0000_s1146 _x0000_s1147 _x0000_s1148 _x0000_s1149 _x0000_s1150 _x0000_s1151 _x0000_s1152 _x0000_s1153 _x0000_s1154 _x0000_s1155 _x0000_s1156 _x0000_s1157 _x0000_s1158 _x0000_s1159 _x0000_s1160 _x0000_s1161 _x0000_s1162 _x0000_s1163 _x0000_s1164"> переходы

джозефсоновские

Если к такому кольцу приложить поле, то оно будетнаводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться изпостоянного тока Iв А и складываться в В. Тогда максимальный ток кольца зависит от магнитногопотока Ф и равен:<img src="/cache/referats/1721/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> Ic– ток кольца, Ф0–квант потока, Ф – захваченный поток. При этом <img src="/cache/referats/1721/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> R– сопротивление перехода, l–индуктивность кольца. D

U–достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электроннымиприборами.

<img src="/cache/referats/1721/image021.gif" v:shapes="_x0000_s1057 _x0000_s1058 _x0000_s1059 _x0000_s1060 _x0000_s1061 _x0000_s1062 _x0000_s1063 _x0000_s1064 _x0000_s1065 _x0000_s1066 _x0000_s1067 _x0000_s1068 _x0000_s1069 _x0000_s1070 _x0000_s1071 _x0000_s1072 _x0000_s1073 _x0000_s1074 _x0000_s1075 _x0000_s1076 _x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1079 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1082 _x0000_s1083 _x0000_s1084 _x0000_s1085"> I Imax

nФ0

(n+1/2)Ф0

U n

Рисунок слева: ВАХ сверхпроводящего кольцас 2-мя джозевсоновскими переходами.

Рисунок справа:Зависимость Imaxот внешнего потока

n – число квантов потокапронизывающих контур.

Техническая реализация магнитометров на СКВИДе напостоянном токе с 2-мя тунельными переходами.

Кварцевая трубка

Полоска из Pb

Платиновый электрод

Джозефсоновские

переходы

Платиновый электрод

КонтурСКВИДа

образован цилиндрической

пленкой изPb нанесеннойна кварцевый цилиндр

длинной 18 мм с наружнымдиаметром 8мм, а

внутренним 6мм.

Описанная здесь конструкция яв-

2 мм ляется датчикомвключенным в электри-

<img src="/cache/referats/1721/image022.gif" v:shapes="_x0000_s1170 _x0000_s1171 _x0000_s1172 _x0000_s1173 _x0000_s1174 _x0000_s1175 _x0000_s1176 _x0000_s1177 _x0000_s1178 _x0000_s1179 _x0000_s1180 _x0000_s1181 _x0000_s1182 _x0000_s1183 _x0000_s1184 _x0000_s1185 _x0000_s1186 _x0000_s1187 _x0000_s1188 _x0000_s1189 _x0000_s1190 _x0000_s1191 _x0000_s1192 _x0000_s1193 _x0000_s1194 _x0000_s1195 _x0000_s1196 _x0000_s1197 _x0000_s1198 _x0000_s1199 _x0000_s1200 _x0000_s1201 _x0000_s1202 _x0000_s1203 _x0000_s1204 _x0000_s1205 _x0000_s1206 _x0000_s1207 _x0000_s1208 _x0000_s1209 _x0000_s1210 _x0000_s1211 _x0000_s1212 _x0000_s1213 _x0000_s1214 _x0000_s1215 _x0000_s1216 _x0000_s1217 _x0000_s1218 _x0000_s1219 _x0000_s1220 _x0000_s1221 _x0000_s1222 _x0000_s1223 _x0000_s1224 _x0000_s1225 _x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1228 _x0000_s1229 _x0000_s1230 _x0000_s1231 _x0000_s1232 _x0000_s1233 _x0000_s1234 _x0000_s1235 _x0000_s1236 _x0000_s1237 _x0000_s1238 _x0000_s1239 _x0000_s1240 _x0000_s1241 _x0000_s1242 _x0000_s1243 _x0000_s1244 _x0000_s1245 _x0000_s1246 _x0000_s1247"> ческуюсхему, обеспечивающую изме-

рение ииндикацию отклика датчика

1.5мм на изменение внешнегомагнитного

поля. Такая система представляет со-

600нм 600нм бой магнитометр.

20 нм

4. Сверхпроводящий материал –соединение Nb3Sn.

<img src="/cache/referats/1721/image023.gif" v:shapes="_x0000_s1165">Соединение Nb3Sn имеет Тк=18.2К иНк2=18.5 МА/m(m

0Нк=23Тл) при4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходычувствительные как к малым полям 10-17Тл,так и к изменению больших полей »1Тл. Соединение имеет такуюрешетку:атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своимиближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:

<img src="/cache/referats/1721/image024.gif" v:shapes="_x0000_s1248 _x0000_s1249 _x0000_s1250 _x0000_s1251 _x0000_s1252 _x0000_s1253 _x0000_s1254 _x0000_s1255 _x0000_s1256 _x0000_s1257 _x0000_s1258 _x0000_s1259 _x0000_s1260 _x0000_s1261 _x0000_s1262 _x0000_s1263 _x0000_s1264 _x0000_s1265 _x0000_s1266 _x0000_s1267 _x0000_s1268 _x0000_s1269 _x0000_s1270 _x0000_s1271 _x0000_s1272 _x0000_s1273 _x0000_s1274 _x0000_s1275 _x0000_s1276 _x0000_s1277 _x0000_s1278 _x0000_s1279 _x0000_s1280 _x0000_s1281 _x0000_s1282 _x0000_s1283 _x0000_s1284 _x0000_s1285 _x0000_s1286 _x0000_s1287 _x0000_s1288 _x0000_s1289 _x0000_s1290 _x0000_s1291 _x0000_s1292"> Sn

Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительнымиковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получениясверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти приизбытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллическойрешетке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:

toC

2500

a

+ж 2000

2000

a

1500 Nb3Sn3

a

+Nb3Sn 910-920

1000

<img src="/cache/referats/1721/image025.gif" v:shapes="_x0000_s1293 _x0000_s1294 _x0000_s1295 _x0000_s1296 _x0000_s1297 _x0000_s1298 _x0000_s1299 _x0000_s1300 _x0000_s1301 _x0000_s1302 _x0000_s1303 _x0000_s1304 _x0000_s1305 _x0000_s1306 _x0000_s1307 _x0000_s1308 _x0000_s1309 _x0000_s1310 _x0000_s1311 _x0000_s1312 _x0000_s1313 _x0000_s1314 _x0000_s1315 _x0000_s1316 _x0000_s1317 _x0000_s1318 _x0000_s1319 _x0000_s1320 _x0000_s1321 _x0000_s1322 _x0000_s1323 _x0000_s1324 _x0000_s1325 _x0000_s1326 _x0000_s1327 _x0000_s1328 _x0000_s1329 _x0000_s1330"> Nb3Sn 840-860

500 805-820 NbSn7 232-234

Nb 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sn Соединение Nb3Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным металлургическимпутем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. Массивные изделия из этогосоединения:цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическимметодом, т.е. смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова,прессуя изделия нужной формы и нагревая их до температуры образованияхимического соединения Nb3Sn, обычно в интервале 960-1200O.

5. Получение джозефсоновскихпереходов.

Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие сверхпроводящиепленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотримнекоторые из методов получения переходов с диэлектрическим барьером. Натщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящегосоединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.

Нанесение первой пленки осуществляется путемкатодного распыления.

<img src="/cache/referats/1721/image026.gif" v:shapes="_x0000_s1166">4

<img src="/cache/referats/1721/image027.gif" v:shapes="_x0000_s1167">1

<img src="/cache/referats/1721/image029.gif" v:shapes="_x0000_s1169"><img src="/cache/referats/1721/image030.gif" v:shapes="_x0000_s1168"> 6

2 3 5

1. Катод

2. Распыляющий газ

3. К вакуумному насосу

4. Держатель с подложкой

5. Постоянное напряжение 4 кВ

6. ВЧ – генератор 3-300 МГц

Газовый разряд при низком давлении можно возбудитьвысокочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащимаргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы,разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав. Вылетающие скатода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были достигнуты скоростиосаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В.

Для высокочастотного катодного распыления Nb3Sn необходим вакуум перед распылением 10-4Па, температураподложки 900OС, чистота напускаемого аргона 99,999%, егодавление менее 1Па.

Для качества туннельного перехода большое значение имеетструктура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическаярешетка, и в них, как правило со временем происходят структурные изменения:течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшитьсвойства туннельного перехода (например возникнуть закоротки).

Одним из способов устранения этих нежелательныхявлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их структуру. Такпленки образующие туннельный переход получались последовательным напылением In (49нм),Au (9нм), Nb3Sn(350нм) для нижнегоэлектрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм), Nb3Sn(200нм)для верхнего электрода. После этого пленкивыдерживались при температуре 75ОС в течении 2ч., что приводило кстабилизации свойств перехода.

Следующим важным этапом получения туннельногоперехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла наповерхности первой пленки. Свойства туннельного перехода и его срок службыопределяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот слой должен бытьплотным, тонким (»

2нм), ровным, не иметь пор ине меняться со временем при температурном циклировании.

Наиболее удачный метод приготовления туннельныхбарьеров состоит в окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода.Подложка с пленочным электродом крепится к катоду разрядной камеры. Сначалаповерхность пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного распыленияв атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после этогоаргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной смесью и зажигаетсяразряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, находящейся вразряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для получения туннельныхбарьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1Вт/мм2 в течении 10-20 мин.

Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника.В качестве материала барьера используется различные п/п: CdS, CdSe, Ge,InSb, CuAs идр.

Основной метод нанесения п/п барьера – распыление.Однако в напыленном слое п/п имеетсямного отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе.Для устранения этого недостатка после напыления барьера переход подвергаетсяокислению. В результате закоротки действительно не возникают, но свойствабарьера при это ухудшаются:уменьшается максимальнаяплотность тока, величина емкости увеличивается.

Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковымбарьером, получаются, когда барьер представляет собой монокристалл. Такиепереходы реализованы не созданием барьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот,нанесением пленки на обе стороны тонкой монокристаллической п/п мембраны из Si.Известно, что скорость травления монокристаллического Siперпендикулярно плоскости(100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). В результате этого впластине Si, поверхность которого параллельна (100), притравлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки.Боковые стенки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7О к поверхности.Таким образом, размер дна ямки w

1, т.е. размер мембраныопределяется соотношением w2– размер открытого незащищенногоучастка поверхности, t– глубина ямки.

Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо каким-либообразом автоматически остановить травление. Это достигается с помощьюлегирования бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равнуюнеобходимой толщине мембраны. Скорость травления быстро падает, когдадостигается слой Si с концентрацией бора, равной n=4×

1019см-3, и полностью останавливается при n=7×1019см-3. Таким образом были получены мембраны толщиной 40-100нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход.

В случае последовательного напыления: сверхпроводящаяпленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанестиметодом катодного распыления.

Готовые переходы защищают отвлияния атмосферы слоем фоторезиста. Для получения воспроизводимых туннельныхсистем необходимо, чтобы между операциями пленка не подвергалась воздействиюатмосферы т.к. адсорбция газов на поверхности пленок может вызватьнеконтролируемое изменение характеристик перехода. Списоклитературы:

1. Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящиематериалы» М. МИЭМ 1990

2. А.Ф. Волков, Н.В. Заварицкий«Электронные устройства на основе слабосвязных сверхпроводников» М. Советскоерадио 1982

3. Р. Берри, П. Холл, М. Гаррис«Тонкопленочная технология» М. Энергия 1979

4. Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер «Физическиеосновы сверхпроводниковых устройств и цепей» М. Радио и связь 1984

www.ronl.ru

Доклад: Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах. Материалы в радиоэлектронике реферат

Основные материалы микроэлектроники, применяемые в процессе ее развития

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ РАЗВИТИЯ

Введение

Основные материалы микроэлектроники

Реферат - Развитие средств связи

Доклад - Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах

Смотрите также