Многоэлементные джозефсоновские структуры для реализации высоколинейных широкополосных устройств

• Автор: Шарафиев, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Содержание
Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность работы Цель работы Научная новизна Практическая ценность работы
Вопросы авторства и публикация результатов работы Глава 1. Введение. Постановка задачи
1.1. Эффект Джозефсона
1.2 Сверхпроводящие квантовые интерферометры
1.3 Применения сквидов
1.4 Нелинейность характеристик сквида постоянного тока
1.5 Постановка задачи Глава 2. Би-сквид
2.1 Основная идея би-сквида
2.2 Аналитическая теория
2.3 Численное моделирование
2.4 Экспериментальное исследование
2.4.1 Схемы на основе традиционной технологии А. Топологии интегральных схем
Б. Экспериментальное изучение
2.4.2 Схемы на основе субмикронной технологии.
2.5 Заключение к главе
Глава 3. Шумовые характеристики би-сквида
3.1 Введение
3.2 Аналитические соотношения
3.2.1 Сквид постоянного тока
3.2.2. Би-сквид
3.3 Численное моделирование
3.3.1 Методика расчета
3.3.2 Результаты расчета
3.4 Заключение к главе
Глава 4. Структуры на основе дифференциальных ячеек
4.1 Сверхпроводящие Квантовые Интерференционные Фильтры
4.2 Дифференциальный отклик
4.3 Экспериментальное исследование
4.4 Структуры на основе длинных переходов
4.5 Заключение к главе 4 78 Глава 5. Подходы к созданию активной электрически малой 80 сверхпроводниковой антенны
5.1 Мотивация
5.2 Использование сверхпроводников в антенной технике
5.3 Активные электрически малые антенны трансформаторного типа
5.4. Бестрансформаторные активные электрически малые антенны
5.5 Заключение к главе 5
Выводы диссертационной работы
Приложение. Описание технологий, использовавшихся в экспериментальных 98 исследованиях
П1. Стандартная ниобиевая технология фирмы Нургез
П2. Субмикронный процесс института фотонных технологий (1РНТ)
Список печатных работ автора по материалам диссертации
Список использованной литературы

Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность работы
Использование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках, позволяет создавать аналоговые и цифровые устройства с характеристиками, недоступными для полупроводниковой электроники. Высокое быстродействие, высокая чувствительность, предельно низкая энергия переключения джозефсоновских элементов Ej = Ф01с = 2-10"13 Вб х 1СГ4 А = 2 • 10"19 Дж открывают большие перспективы для разработки устройств, которые способны работать в более высоких диапазонах частот сигналов, обеспечивать более высокие скорости обработки информации и предельно высокую чувствительность. Так, на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров, или сквидов (англ.: SQUID - Superconducting Quantum Interference Device), которые имеют энергетическое разрешение порядка 10“30... 10’32 Дж/Гц, то есть близкое к постоянной Планка h, созданы высокочувствительные магнитометры, нашедшие применение в магнитокардиографии, магнитоэнцефалографии, геофизике, устройствах неразрушающего контроля металлических конструкций и многих других приложениях.
Прогресс в области цифровых устройств на основе быстрой одноквантовой логики, известной как RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum logic) и допускающей тактовые частоты до 100 ГГц и выше, характеризуется созданием полностью сверхпроводниковых процессоров [1,2], а также высокочувствительных широкополосных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), открывающих новые возможности в развитии технологий приема, обработки и защиты информации на основе широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой входного сигнала.
Наиболее активно широкополосные приемные системы с прямой оцифровкой входного сигнала разрабатываются в научных центрах США и Японии [3]-[12], известных своими достижениями в области цифровых устройств на основе быстрой одноквантовой логики и широкополосных АЦП. Для сверхпроводниковых АЦП, реализованных с использованием современной ниобиевой технологии, в гигагерцовом диапазоне частот были продемонстрированы предельно низкая шумовая температура, крайне высокая линейность и динамический диапазон до 90 дБ [10], [13]-[15]. Однако в настоящее время общая эффективность разрабатываемых широкополосных приемных систем ограничивается антенной и следующим за ней усилителем, имеющими более высокую шумовую температуру, более низкую линейность и меньший динамический диапазон по сравнению со сверхпроводниковыми АЦП.

Рисунок 2.12. Соотношения между величинами безразмерной индуктивности 1 и критического тока г'сз третьего джозефсоновского перехода, при которых достигается наилучшая линейность откликов напряжения при токе смещения /д = 2,05/с • Штриховыми линиями показаны соотношения, полученные для фиксированных значений характерного напряжения: Усз~ Ус (1а), Усз=0,75Ус (16), Рсз=0,5Ус (1в), а сплошными линиями - для фиксированным значений нормального сопротивления третьего перехода: /?ад= Яц (2а), /?лз=0,75Ллг (26), Дуэ=0,5Ллг (2в).
следует также рассмотреть “коллективные” проблемы, которые могут возникнуть при создании последовательных цепочек большого числа би-сквидов. Причиной ухудшения формы отклика напряжения цепочки и, как следствие, линейности отклика может быть технологический разброс критических токов джозефсоновских переходов и, следовательно, би-сквидов.
На рис. 2.11 приведены данные численного моделирования, которые показывают, что даже небольшое отклонение тока смещения 1ц от величины 21с как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, приводит к сильному изменению вида отклика напряжения би-сквида. Более того, наблюдаемое изменение формы отклика сильно асимметрично по отношению к знаку отклонения /д от 2/с. Суммирование таких откликов би-сквидов, которые будут иметь место при наличии технологического разброса критических токов джозефсоновских элементов, приведет к значительному размытию нижних углов отклика цепочки, и соответственно, к существенному ухудшению линейности участков результирующей вольт-полевой характеристики, прилегающих к области размытия. Поэтому целесообразно отказаться от использования “критического” смещения /д = 2/с цепочки би-сквидов как оптимального, и использовать ток смещения /д, превышающий значение 2/с на величину разброса критических токов, оптимизируя при этом параметры би-сквидов для такого смещения.
На рис. 2.12 приведены результаты расчета оптимальных соотношений между величинами безразмерной индуктивности / и критического тока г‘сз третьего