Автоматизированные методы исследования сверхпроводниковых структур и устройств на их основе

• Автор: Ермаков, Андрей Борисович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ:
П. 1 Область исследования
П.2 Порядок изложения материала
П.З Основные положения, выносимые на защиту
П.4 Вопросы авторства и публикация результатов
П. 5 Аннотация
Г лава 1. Введение
1.1 Основы сверхпроводниковой электроники
1.2 СИС-переходы как нелинейные СВЧ элементы
1.3 Расчет СИС-смесителей
1.4 Автоматизированные методы исследования сверхпроводни-
ковых структур
1.5 Постановка задачи исследования
Глава 2. Определение основных параметров сверхпроводниковых структур,
разработка автоматизированной методики их измерения и расчета 3
2.1 Основные электрофизические параметры сверхпроводниковых
переходов и методы их определения 3
2.2 Система для автоматизированного измерения параметров и
анализа данных
2.3 База данных электрофизических параметров СИС-переходов и
система анализа для оптимизации технологических процессов
2.4 Определение параметров туннельного барьера и емкости
2.5 Коленообразная особенность туннельного перехода
2.6 Выводы по главе 2
Г лава 3. Расчет СИС-смесителей 5
3.1 Аппроксимация экспериментальных ВАХ СИС-переходов
3.2 Расчет эффективности преобразования
3.3 Шумовая температура
3.4 Выводы по главе 3

Глава 4. Интегральный сверхпроводниковый приемник, автоматизированная
система для исследования основных характеристик
4.1 Интегральный сверхпроводниковый приемник
4.2 Автоматизированная система измерения и управления сверх-
проводниковым интегральным приемником
4.3 Шумовая температура
4.4 Многоматричный интегральный приемника
4.5 Выводы по главе 4
Глава 5. Изучение гетеродинных свойств ФФО в составе
интегрального приемника
5.1 Ширина линии излучения ФФО
5.2 Уменьшение ширина линии излучения ФФО
5.3 Сверхтонкая структура ВАХ ФФО
5.4 Выводы по главе 5
Глава 6. Создание многофункциональной измерительной системы для
исследования сверхпроводниковых структур
6.1 Концепция автоматизированной системы
6.2 Основные режимы измерения
6.3 Методы обработки экспериментатьных данных
6.4 Графическая система отображения результатов
6.5 Выводы по главе 6
Заключение
Работы автора ио теме диссертации 13
Литература

ПРЕДИСЛОВИЕ
ПЛ. Область исследования
Высокий интерес, проявляемый к сверхпроводниковым структурам, обусловлен как интересной физикой процессов в таких системах, так и возможностью создания на их основе практических устройств с чрезвычайно высокими параметрами. Применение сверхпроводниковых элементов предполагает использование криогенных температур, но именно это обстоятельство обеспечивает уникальные характеристики таких структур, в том числе высокий уровень нелинейности и низкий уровень собственных шумов. Все это позволяет создавать на основе сверхпроводниковых элементов радиоэлектронные устройства для приема и обработки сигналов с уникальными характеристиками.
Особенно бурно сверхпроводниковая электроника развивалась после открытия эффекта Джозефсона и создания слабосвязанных сверхпроводниковых переходов, которые наряду с низким уровнем собственных шумов обладают чрезвычайно малыми (порядка нескольких пикосекунд) временами переключения из сверхпроводящего состояния в нормальное. В результате появилась возможность создания сверхчувствительных СВЧ устройств вплоть до субмиллиметрового диапазона длин волн, а также цифровых схем для сверхбыстрой обработки информации [1].
Туннельные структуры сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС-переходы) являются одними из наиболее привлекательных нелинейных элементов, как для приемных устройств миллиметровых волн, так и для различных цифровых устройств. В СВЧ приемных устройствах используется также высокая нелинейность туннельного тока квазтастиц вблизи энергетической щели, на этой основе был создан целый ряд малошумящих смесителей с высокой эффективностью преобразования [2,3].
Для практического использования необходимы СИС-переходы с заданными электрофизическими параметрами. Многие важные параметры можно определить из экспериментальных вольтамперных характеристик (ВАХ) переходов. Большой объем измерений и экспериментальной информации, сложность обработки полученных данных, необходимость установления корреляции между характеристиками переходов и технологическими параметрами их изготовления обуславливают
35 Глава
Определение основных параметров сверхпроводниковых структур,
разработка автоматизированной методики их измерения и расчета
Для использования в различных устройствах необходимы СИС-переходы с заданными электрофизическими параметрами. Определение большинства этих параметров возможно из вольтамперной характеристики (ВАХ). При обработке технологических режимов изготовления сверхпроводниковых туннельных переходов, а также при отборе наилучших образцов для использования в конкретных устройствах встает задача быстрого измерения ВАХ СИС-переходов и вычисления из экспериментально измеренных характеристик основных параметров, определяющих качество переходов и перспективность их дальнейшего использования. Сложность обработки экспериментальной информации, необходимость установления корреляции между характеристиками переходов и технологическими параметрами их изготовления обуславливают необходимость создания автоматизированной методики измерения и расчета параметров ВАХ СИС-переходов, В начале опишем параметры, которые нужно вычислять из экспериментальных ВАХ СИС-переходов, затем рассмотрим созданную для этих целей автоматизированную систему.
2.1 Основные электрофизические параметры сверхпроводниковых переходов и методы их определения
В результате многолетнего опыта был определен список электрофизических параметров и выработан ряд критериев для их вычисления:
А - площадь одиночного перехода;
N of array - количество переходов и тип соединения параллельный или последовательный);
Rn - сопротивление в нормальном состоянии (определяет импеданс
контакта, уровень термодинамических флуктуаций);
Rn per junction - сопротивление в нормальном состоянии приведенное на один переход;
R,r4 - удельное сопротивление перехода (характеризует толщину