Эффект Джозефсона в контактах сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник

• Автор: Фистуль, Михаил Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 c. : ил

1. Стационарный эффект Джозефсона в сверхпроводящих структурах с полупроводниковой прослойкой
1.1. Методы теоретического анализа стационарного тока в слабосвязаннйх сверхпроводящих структурах

1.2. Общее выражение для джозефсоновского тока структуры

1.3. Критический ток контакта -$ в случае

"чистого" полупроводника

1.4. Критический ток контакта $-в случае "грязного" полупроводника (учет примесного рассеяния куперовских пар)

1.5. Обсуждение результатов

2. Флуктуационнне явления в контактах

2.1. Фауктуационные явления в полупроводниках

2.2. Теория критического тока с учетом флуктуаций

типа "канала"

2.3. Вклад резонансно-перколявдонных траекторий в критический ток контакта $
2.4. Обсуждение результатов
3. Нестационарный эффект Джозефсона в сверхпроводящих структурах с полупроводниковой прослойкой
3.1. Вывод обшей формулы для сверхпроводящего тока
3.2. Риделевские особенности тока при резонансном туннелировании
3.3. Обсуждение результатов
4. Сопоставление с экспериментом
4.1. Основные экспериментальные результаты исследования эффекта Джозефсона в контактах
(обзор литературы)
4.2. Сопоставление развитой теории с экспериментом
Выводы
Список использованной литературы
Приложение

В последнее время в электронике вое большее значение приобретают различные устройства, использующие физические явления, возникающие в твердых телах при низких температурах. В их числе явление сверхпроводимости, и особенно эффекты Джозефсона / 1-3 /. Использование этих явлений в приборах электронной техники (элементы ЭВМ, приемники высокочастотных сигналов, сверхпроводящие квантовые интерферометры и т.д.) сейчас представляет уже самостоятельную область науки и техники, получивщую название криоэлектроники / I /.
Ее развитию во многом способствовало исследование и применение слоистых отруктур,состоящих иа двух сверхпроводников, разделенных достаточно тонкой прослойкой из несверхпроводяшего материала. В таких структурах первоначально в качестве промежуточной прослойки применялись различные диэлектрики - окислы металлов. При этом толщины окисных слоев не должны превышать нескольких нанометров / 1-3 /. Вследствие этого для $ ~.Х -$ контактов характерно явление деградации параметров, так как нарушается тонкая изолирующая прослойка из-за диффузии атомов из. сверхпроводящих металлов. Кроме того, из-за малой толщины и большой диэлектрической постоянной ,1 -прослойки, такие контакты обычно обладают значительной емкостью, а на их вольтамперных характеристиках,как правило, проявляется гистерезис, что ограничивает область практического использования таких систем.
Вместо диэлектрика Кларком было предложено / 4 / в качестве промежуточного слоя использовать нормальный (несверхпроводящий) металл. Допустимая толщина прослойки в таких контактах возрастает до долей микрона. Соответственно уменьшается емкость, устраняется гистерезис и в значительной степени снижаются дегра-дационные явления. Однако такие структуры обладают малым нормальным сопротивлением, что затрудняет их практическое использование. Оптимальными параметрами обладают контакты с полупроводниковой ( $№ ) прослойкой / 2,5 /.
Свойства таких контактов существенно зависят от концентрации свободных носителей в полупроводнике. При малой концентрации контакты похожи на обычные джозефсоновские элементы,
а при большой - близки к контактам. Свободные носители
в полупроводнике могут создаваться как путем введения примесей (легированием), так и с помощью облучения контактов светом. Именно такой фоточувствительный контакт на С<1 £ впервые был экспериментально осуществлен в работе / 6 /.
Изменяя время облучения или концентрацию примесей, можно регулировать концентрацию свободных носителей в -прослойке и тем самым влиять на эффективную прозрачность барьера, сквозь который туннелируют сверхпроводящие электроны.
Таким образом, удается варьировать критический ток, вольт-ашерную характеристику и другие параметры контакта ,
что открывает новые возможности применения их в криоэлектронике.
Наибольший интерес представляет область промежуточных концентраций носителей, когда барьер уже достаточно понижен, и толщина слоя полупроводника может значительно превышать межатомные расстояния (это делает такие контакты стабильными), и в то же время контакт обладает большим нормальным сопротивлением, что важно при практическом использовании.
К моменту постановки данной работы теория эффекта Джозефсотолько начала разрабатываться. В то же

Из формул (2.31), (2.35) видно, что резонансное туннелирование в широкой области концентраций примесей приводит к увеличению величины критического тока, а также к изменению температурной зависимости критического тока.
2.4. Обсуждение результатов
В этом разделе мы подробно рассмотрим структуру с
полупроводниковой прослойкой, легированной примесями. Мы покажем, в какой области концентраций примесей необходимо учитывать флуктуации дна зоны проводимости.
Вначале рассмотрим сильнолегированный ^ ^сК 4 , где
боровский радиус хгримеси), компенсированный (К = /^//у -компенсация полупроводника) полупроводник. При увеличении степени компенсации крупномасштабные флуктуации потенциала усиливаются (растет их величина и протяженность в пространстве). Концентрация электронов при этом падает, и химический потенциал опускается в глубь запрещенной зоны. В области компенсаций: К>КС~У1~ (^б) химический потенциал лежит ниже среднего значения дна зоны как раз на величину типичной флуктуации, так что в местах с пониженным значением для зоны образуются электронные капли / 37 /. С малой вероятностью образуются длинные капли (каналы), связывающие между собой сверхпроводящие области. При таких компенсациях сверхпроводящий ток в основном проходит по глубоким каналам, в которых концентрация электронов значительно больше, чем в типичной каше.
Вероятность образования такого канала ^(У) легко найти методом оптимальной флуктуации, считая распределение примесей пуас-соновским: , где Я - избыточное