Эффект быстрого переключения сверхпроводниковых пленок и возможности его использования в СВЧ-микроэлектронике

ФИЗИКА ЭФФЕКТ БЫСТРОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СВЧ-МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ А. Б. КОЗЫРЕВ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина)

PHENOMENA OF FAST SWITCHING OF SUPERCONDUCTING FILMS AND ITS APPLICATIONS TO MICROWAVE MICROELECTRONICS A. B. KOZYREV

© Козырев А.Б., 2004

Mechanisms of the pulse current destruction of superconducting state in superconductors are discussed. Variation of electromagnetic properties of films due to switching from superconducting (S) state to normal conducting (N) one is considered as well. This phenomenon may be used as a basis for creation of a new class of fast acting controlling and protecting microwave devices, so called S–N-devices. Рассмотрены механизмы разрушения сверхпроводящего состояния пленок под действием импульсного тока. Показано, что эффект изменения электродинамических свойств пленок при их переключении из сверхпроводящего (S) в нормально проводящее (N) состояние может служить основой для создания нового класса быстродействующих управляющих и защитных устройств СВЧ-микроэлектроники – так называемых S–N-устройств.

journal.issep.rssi.ru

Как и другие научные открытия, открытие К. Оннесом в 1913 г. сверхпроводимости поставило перед учеными огромное количество фундаментальных и прикладных научных проблем. Исчезновение сопротивления (R = 0) для постоянного тока и явление выталкивания магнитного поля из объема сверхпроводника (эффект Мейснера: В = 0) при температурах ниже температуры фазового перехода материала в сверхпроводящее состояние (Тс) являются необходимыми признаками сверхпроводящего состояния, о которых известно каждому школьнику, интересующемуся физикой. С точки зрения технических приложений материал с R = 0 вызывает в сознании образы линий электропередачи, которые обеспечивают передачу энергии без потерь на большие расстояния, а В = 0 – возможность создания высокоскоростных поездов на магнитной подушке и электродвигателей с рекордными КПД. Однако существуют другие явления сверхпроводимости, изучение которых привело к созданию новых направлений в области науки и техники (подробнее об этом можно прочитать, например, в [1–3]). К одному из них можно отнести поведение сверхпроводников в переменном электромагнитном поле, и в частности в полях, при которых происходит разрушение сверхпроводящего состояния. Известно, что перевод сверхпроводникового материала из сверхпроводящего (S) состояния в нормально проводящее (N) состояние можно осуществлять не только за счет его нагрева, но и другими способами. Если сверхпроводник поместить в постоянное магнитное поле Н, величина которого превышает некоторое критическое значение Нс , то сверхпроводник также перейдет из S- в N-состояние. S–N-переключение можно осуществить пропуская через сверхпроводник ток больше критического (I > Iс), вызывающего разрушение сверхпроводимости. Лазерное излучение выше определенного уровня мощности вызывает также переход

К О З Ы Р Е В А . Б . Э Ф Ф Е К Т Б Ы С Т Р О ГО П Е Р Е К Л Ю Ч Е Н И Я С В Е Р Х П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Л Е Н О К …

93

ФИЗИКА из сверхпроводящего состояния в нормально проводящее. С точки зрения технических приложений возможность переключать какой-либо элемент из одного состояния в другое является чрезвычайно интересной. Вспомним обычный полупроводниковый диод, или полевой транзистор, которые за счет приложенного напряжения могут переключаться из непроводящего состояния в проводящее, или светодиод, меняющий свое состояние под действием света, и т.п. Роль подобных полупроводниковых элементов в электронике трудно переоценить. Очевидно, и способность к S–N-переключению сверхпроводниковых материалов также может найти интересные применения, например в силовой электротехнике для создания устройств защиты сетей от перегрузок или в микроэлектронике для создания различных элементов управления и защиты. Мы рассмотрим подробнее возможность использования эффекта S–N-переключения в СВЧ-микроэлектронике. Так как современная микроэлектроника базируется на интегральных схемах, то целесообразно использовать в этом случае сверхпроводниковые материалы в виде пленок. Следует отметить, что технология пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в отличие от технологии ВТСП объемных материалов (например, проводов, катушек и т.п.) достигла значительно большего успеха с точки зрения возможности технического использования. Получены монокристаллические пленки ВТСП, параметры которых говорят о перспективности их использования в СВЧ-микроэлектронике уже в настоящее время. Представим себе некую цепь, например простую микрополосковую линию, сформированную на основе пленки сверхпроводника, через которую пропускают СВЧ-сигнал. При переключении такой структуры каким-либо способом из S- в N-состояние условия для прохождения СВЧ-сигнала будут меняться. Таким образом, на основе эффекта S–N-переключения мы можем создавать различные устройства: выключатели и переключатели каналов, модуляторы, ограничители и устройства защиты, фазовращатели и т.п. Выше были перечислены различные способы переключения пленок из S- в N-состояние, поэтому встает вопрос, какой из них целесообразно использовать при создании устройств микроэлектроники. Можно, например, осуществлять S–N-переключение теплом, расположив над или под сверхпроводниковой пленкой резистивный пленочный нагреватель, изолированный от сверхпроводника пленкой диэлектрика. Пропуская ток управления через нагреватель, вы будете подогревать пленку сверхпроводника и переключите ее в N-состояние. Однако быстродействие такой системы в силу тепловой инерции будет невелико и в лучшем случае достигнет микросекунд.

94

Для переключения магнитным полем нужно создание специальной магнитной системы управления, которая либо потребует значительных токов для создания необходимых для S–N-переключения магнитных полей, либо будет инерционной за счет большой собственной индуктивности. S–N-переключение за счет лазерного воздействия чрезвычайно заманчиво в связи с возможностью использования временных масштабов быстродействия лазера порядка пикосекунд и в связи с хорошей развязкой по частоте между рабочим сигналом и сигналом управления. Однако энергетические затраты на такое переключение достаточно велики, так как из-за больших отражений только небольшая часть энергии подводимого лазерного луча рассеивается в пленке. На наш взгляд, наиболее перспективным с точки зрения технических приложений является эффект S–Nпереключения под действием управляющего тока, протекающего через пленку. При этом возможно достижение очень высокого быстродействия (менее десятых наносекунд) и минимальных по сравнению со всеми перечисленными способами энергозатрат источника управления для осуществления S–N-переключения. Для понимания возможности прикладного использования явления S–N-переключения под действием тока необходимо более глубокое рассмотрение физики данного эффекта, что мы и сделаем в следующем разделе. ЭФФЕКТ S–N-ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК Одной из главных характеристик различных элементов электронной техники являются их вольт-амперные характеристики (ВАХ). Рассмотрим ВАХ сверхпроводникового пленочного полоска (мостика), сформированного на диэлектрической подложке (рис. 1, а). Характерные размеры таких элементов, используемых для СВЧ-исследований и различных практических приложений микроэлектроники, лежат в достаточно широком интервале: ширина мостика w ≈ 1–500 мкм, длина l от единиц микрометров до сотен сантиметров, толщина пленок, как правило, не превышает 0,5–1 мкм. Для снятия ВАХ такого элемента по четырехконтактной схеме (см. рис. 1, а) на берега мостика обычно наносятся пленочные контакты из несверхпроводящего материала (Ag, Au). На сильно упрощенной ВАХ (рис. 1, б ) можно выделить три характерные области: а) сверхпроводящее (S) состояние вплоть до критического тока Iс , когда сопротивление пленки равно нулю; б) резистивное состояние I > Iс , когда пленка обладает сопротивлением, однако не полностью перешла в

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4

ФИЗИКА а

а V l

Контакты

a–a

Пленка сверхпроводника

Пленка сверхпроводника

w

w а Uвых Подложка

A

Г

б

а

V Uвх

б S

N

0,1 нс

Uвх

Uвх = Uвых Iи < I с

Uвых

Iи ≥ 3Iс

1 нс Ic

I

Рис. 1. Топология сверхпроводникового элемента (а) и его вольт-амперная характеристика (б )

нормально проводящее состояние (область между штриховыми линиями); в) нормальное (N) состояние. Если на элемент, обладающий такой ВАХ, подавать управляющие импульсы тока с амплитудой Iи больше Iс , то подобные элементы можно использовать как основу для создания устройств управления микроэлектроники. Важнейшей характеристикой подобных устройств является их быстродействие, то есть время τSN , за которое под действием тока выше критического произойдет переход пленки из сверхпроводящего состояния в нормально проводящее. Современная полупроводниковая электроника устройств управления и защиты обычно использует элементы с быстродействием не лучше 10− 2–1 мкс. Интересно, какого быстродействия можно ожидать от устройств, использующих S–N-переключение, то есть каким будет время τSN ? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо проанализировать механизмы разрушения сверхпроводимости под действием тока, проследить динамику перехода пленки из сверхпроводящего в нормально проводящее состояние, измерить τSN [4]. Рассмотрим упрощенную схему (рис. 2, а), используемую для исследования динамики S–N-переключения пленки под действием токовых импульсов. Генератор (Г) формирует импульсы длительностью tи ∼ 1 нс и с фронтами ∼ 0,1 нс (рис. 2, б ). Импульс распространяется по коаксиальному кабелю,

Рис. 2. Схема для исследования динамики S–N-переключения (а), осциллограммы входного (голубой цвет) и выходного (красный) импульсов при токовых амплитудах входного импульса меньше и больше критического тока пленки (б )

в разрыв которого включен сверхпроводящий элемент в виде микрополосковой линии, разрез которой в сечении а–а приведен на рис. 2, а. Использование микрополосковой линии вместо простейшей структуры, приведенной на рис. 1, а, связано с необходимостью снижения до минимума искажения импульса за счет влияния геометрии пленки. Схема дает возможность наблюдать на осциллографе импульс, падающий на вход сверхпроводящего элемента (Uвх), и импульс, прошедший через элемент (Uвых). Для импульсов с амплитудой Iи < Iс входной и выходной импульсы совпадают (см. рис. 2, б ), то есть пленка остается в сверхпроводящем состоянии (R ≈ 0) и не искажает падающего сигнала. Для импульсов с амплитудой тока Iи > Iс видно, что выходной сигнал меньше входного, то есть R F 0, причем ограничение сигнала происходит за время, соизмеримое или меньшее длительности фронта импульса, так как время фронта выходного импульса совпадает со временем фронта входного. Таким образом, можно сделать вывод, что разрушение сверхпроводящего состояния, то есть появление резистивного или нормально проводящего состояний, происходит за время τSN
0,1 нс. Уменьшение на осциллограмме уровня выходного сигнала в течение длительности импульса связано уже с

К О З Ы Р Е В А . Б . Э Ф Ф Е К Т Б Ы С Т Р О ГО П Е Р Е К Л Ю Ч Е Н И Я С В Е Р Х П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Л Е Н О К …

95

ФИЗИКА более медленными процессами увеличения сопротивления пленки в течение импульсного воздействия. Рассмотрим некоторые возможные механизмы разрушения сверхпроводимости под токовым воздействием. Распределения магнитного поля и тока связаны уравнениями Максвелла, поэтому из-за эффекта Мейснера сверхпроводящий ток, протекающий по пленке, выталкивается к ее краям. На рис. 3 приведена эпюра (А ) распределения плотности тока для тонкой монокристаллической пленки, из которой следует, что максимальная плотность тока достигается на краях пленки. Именно на краях начинаются процессы, приводящие к разрушению сверхпроводимости. Одним из таких процессов является движение вихрей Абрикосова, зарождающихся на краях. Вихри Абрикосова появляются в результате способности сверхпроводников квантовать магнитный поток. Очень грубо вихрь Абрикосова можно рассматривать как квант магнитного потока, пронизывающий пленку и окруженный вихревым сверхпроводящим током. Уже само движение такого вихря, имеющего норJ(x) B Jc

Вихри Абрикосова

A λ

H x

H

1 2

N-домен

3 I Рис. 3. Эпюры распределения плотности сверхпроводящего тока поперек пленки в различные моменты времени (А и В ) и иллюстрация различных механизмов токового разрушения сверхпроводимости: 1 – движение вихрей Абрикосова, 2 – продольный тепловой рост N-доменов, 3 – поперечное движение NS-границы за счет токового распаривания куперовских пар на краю пленки. Jс – критическая плотность тока. Края пленки показаны утрированно неоднородными, так как процессы разрушения сверхпроводимости начинаются в наиболее узких (слабых) ее местах. N-области – синий цвет

96

мально проводящую сердцевину, связано с диссипацией энергии, а значит, с появлением резистивности. Движение вихрей Абрикосова поперек пленки с их аннигиляцией в центральной части (процесс 1 на рис. 3) может привести к образованию нормально проводящей области (N-домена). Такой домен может увеличивать свои размеры вдоль пленки за счет разогрева протекающим по пленке током (процесс 2 на рис. 3, стрелками показано движение границ домена). Известно, что скорость движения вихрей Абрикосова не превышает величины масштаба VA ≈ 103 м/с, то есть при ширине пленки w = 100 мкм время образования резистивного состояния под действием тока будет не менее w τ = ------ ∼ 10− 7 с. Однако, как показывают приведенные VA выше результаты экспериментов, наблюдаемые времена переключения τSN
10−10 с. Таким образом, процессы вихревого движения, так же как процессы разрастания N-доменов вдоль пленки, нельзя рассматривать как механизмы быстрого ее переключения из сверхпроводящего состояния в резистивное. Значительно более быстрым процессом, соответствующим экспериментальным данным (см. рис. 2, б ), является процесс распаривания (разрушения) куперовских пар под действием тока вдоль всего края пленки с последующим движением NS-границы поперек пленки (процесс 3 рис. 3). При этом при движении NS-границы меняется и распределение плотности тока в пленке, которому невыгодно затекать в N-области. Эпюры А и В распределения плотности тока поперек пленки можно рассматривать как воображаемые фотографии такого распределения в различные моменты времени. Согласно феноменологической модели для третьего процесса, время разрушения сверхпроводимости широкой пленки импульсным током можно оценивать на основе выражения [5] w I 2 τ SN ≈ τ ∆ ----  ----c  , λ  I и

(1)

где τ∆ – время релаксации концентрации куперовских пар, которое для монокристаллических пленок ВТСП (YBa2Cu3O7 − x , Тс = 92 К) при 77 К может быть оценено как 10−12 с [6]. При значениях глубины проникновения магнитного поля в пленку ВТСП λ ∼ 0,5 мкм, ширине пленки 50 мкм и Ic / Iи = 0,1 время переключения из S- в N-состояние согласно (1) будет порядка 10−12 с. Таким образом, теоретически предельное быстродействие устройств, использующих явление S–N-переключения, определяется временами масштаба пикосекунд. Точное измерение таких времен в импульсных режимах является сложной задачей, поэтому на основании существующих в настоящее время эксперимен-

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4

ФИЗИКА тальных данных (см. рис. 2) можно только утверждать, что τSN
10−10 с. Таким образом, из экспериментальных данных и теоретических оценок следует, что время переключения из сверхпроводящего состояния в нормально проводящее состояние является очень малым и соответствует решению проблемы создания новых устройств с высоким быстродействием. Однако очевидно, что любой элемент электроники характеризуется не одним, а несколькими параметрами, которые и определяют эффективность его использования. Например, если вы хотите создать защитный элемент входной цепи приемника, то он должен практически без потерь пропускать слабый полезный сигнал от антенны в приемник и не пропускать паразитные сигналы высокого уровня мощности, которые могут разрушить входные чувствительные каскады приемника. Таким образом, наряду с обеспечением высокого быстродействия такой элемент в частотном диапазоне работы приемника должен вносить минимальное затухание в одном состоянии, а в другом затухание должно быть как можно больше. Поэтому в следующем разделе мы рассмотрим электродинамические свойства сверхпроводниковых пленок в N- и S-состояниях на различных частотах. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК Для описания поведения сверхпроводников в переменных полях воспользуемся не слишком строгой, но очень удобной с точки зрения понимания и простоты математического описания двухжидкостной моделью. В соответствии с этой моделью все свободные электроны сверхпроводника n разделены на сверхпроводящие с плотностью nS и нормально проводящие с плотностью nN (n = nS + nN). При изменении температуры от критической Тс до нуля концентрация сверхпроводящих электронов меняется от 0 до n. В то время как нормальные электроны при столкновениях с атомами решетки теряют свою энергию, приобретенную за счет приложенного электрического поля Е, сверхпроводящие электроны двигаются без потери энергии, то есть их движение можно описать вторым законом Ньютона dV m --------S- = eE, dt

(2)

где m и е – масса и заряд электрона, VS – его скорость. Учитывая, что плотность потока сверхпроводящих электронов JS = еnSVS из (2) получим выражение m dJ S - ⋅ -------- , E = --------2 e n S dt

(3)

которое называется первым уравнением Лондонов. Из этого простого соотношения можно сделать очень важный вывод, что при протекании постоянного тока через сверхпроводник (JS = const) поле Е в сверхпроводнике равно нулю и, следовательно, его сопротивление R = 0. Если пропустить по сверхпроводнику переменный ток, то в соответствии с (3) возникнет переменное поле Е, которое уже будет действовать на нормальные электроны, а значит, возникнет сопротивление R F 0. Очень наглядным для понимания изложенного выше является эквивалентная схема, состоящая из параллельно соединенных активного сопротивления и индуктивности, через которую пропускается ток. В случае постоянного тока напряжение на схеме равно нулю, так как ток течет только через индуктивность, сопоставляемую по отклику сверхпроводящим электронам. При переменном токе на индуктивности возникает напряжение и ток течет уже через активное сопротивление, сопоставляемое по отклику нормальным электронам. Таким образом, надо понимать, что сопротивление сверхпроводников в переменном поле принципиально не может равняться нулю. Для определения потерь в сверхпроводниках и нормально проводящих материалах в СВЧ-поле вводится понятие поверхностного сопротивления Rп . Рассмотрим, что такое Rп , подробнее, так как без понимания его сущности дальнейшее изложение будет затруднено. Представим себе, что плоская электромагнитная волна падает на поверхность полубесконечного по глубине металла, причем фронт волны параллелен плоскости поверхности. Отношение векторов напряженности электрического и магнитного полей на поверхности называется поверхностным импедансом E материала Z = ---- . Поверхностный импеданс является H комплексой величиной Z = Rп + iХп , где Rп определяет активное сопротивление, а Хп – индуктивное реактивное сопротивление единицы площади поверхности переменному току, возникающему в материале. Все, вероятно, знают о скин-эффекте в несверхпроводящем металле, когда основная часть высокочастотного тока течет в его поверхностном слое толщиной 2 -------------, где ω = 2πf, µ0 = 4π ⋅ 10−7 Гн/м – магнитная ωµ 0 σ проницаемость вакуума, σ – удельная проводимость металла. В этом случае сопротивление единицы площади поверхности металла δ=

1 R п = ------ = σδ

ωµ 0 ---------. 2σ

К О З Ы Р Е В А . Б . Э Ф Ф Е К Т Б Ы С Т Р О ГО П Е Р Е К Л Ю Ч Е Н И Я С В Е Р Х П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Л Е Н О К …

(4)

97

ФИЗИКА Для сверхпроводников исходя из двухжидкостной модели поверхностное сопротивление определяется соотношением [3] 2

2

3

ω µ 0 λ σn N R п = ---------------------------. 2n

(5)

На рис. 4 приведены частотные зависимости Rп( f ) для высокотемпературного сверхпроводника Tl2Ba2СаСu2О8 (Тс ≈ 108 К) и для меди. Из анализа соотношений (4), (5) и рис. 4 можно сделать вывод, что при температуре жидкого азота ВТСП имеют значительно меньшие значения поверхностного сопротивления, чем традиционные материалы микроэлектроники. А это значит, что вплоть до определенных частот использование сверхпроводниковых пленок может радикально снизить потери по полезному сигналу. Надо понимать, что в силу различных частотных зависимостей поверхностного сопротивления для нормально проводящих материалов (Rп ∼ f 1/2) и сверхпроводников (Rп ∼ f 2) этот выигрыш можно получить только при частотах, лежащих ниже области пересечения этих зависимостей, в частности для приведенного сверхпроводника ниже ∼150 ГГц. Этот диапазон частот охватывает практически весь рабочий диапазон частот современной СВЧ-микроэлектроники. Таким образом, мы показали, что в S-состоянии различные устройства на основе сверхпроводни-

RП, Ом 100

10–1

Cu

10–3 ВТСП 10–4

10–5 100

S

101

102

103 f, ГГц

Рис. 4. Частотная зависимость поверхностного сопротивления для пленки Tl2Ba2CaCu2O8 в S-состоянии (красная линия) и меди. Т = 77 К [7]. Стрелка иллюстрирует возможность изменения поверхностного сопротивления сверхпроводниковой пленки при ее переключении из S- в N-состояние

98

Как мы обсуждали в конце предыдущего раздела, при переключении пленки в N-состояние, вносимые в цепь потери должны быть максимальны. Для оценки поверхностного сопротивления сверхпроводникового материала, переведенного в N-состояние, воспользуемся соотношением (4). Учитывая, что удельная проводимость σ сверхпроводниковых материалов в N-состоянии более чем на порядок меньше, чем σ для меди, мы получили бы на рис. 4 зависимость Rп(f ) для сверхпроводника в N-состоянии в виде прямой, параллельной Rп(f ) для меди. Однако соотношения (4) и (5) справедливы только для полубесконечного материала, в то время как в криоэлектронике используются пленки сверхпроводников с толщиной d, как правило удовлетворяющей неравенству λ < d < δ. Это значит, что в S-состоянии описание зависимости Rп( f ) для таких пленок можно проводить в рамках соотношения (5). Для пленок в N-состоянии соотношение (4) уже нельзя использовать, так как при d < δ явление скин-эффекта уже практически не проявляется и высокочастотный ток равномерно распределен по сечению пленки. В этом случае поверхностное сопротивление Rп = (σ ⋅ d)−1 является частотно независимым и имеет значения большие, чем для полубесконечного материала. Это соотношение для Rп пленки в N-состоянии легко получается из извеl стной формулы для расчета сопротивления R = ρ -----------, w⋅d в которой ρ = σ−1, а длина и ширина пленки равны (w = l). Типичные значения Rп для пленок сверхпроводников в N-состоянии могут достигать единиц Ом (закрашенная область на рис. 4). Таким образом, отношение поверхностных сопротивлений в N- и S-состояниях в СВЧ-диапазоне (например, на 10 ГГц) будет более 103, что свидетельствует о возможности создания устройств с S–N-переключением, которые практически без потерь пропускают полезный сигнал и эффективно ограничивают прохождение сигнала помехи.

N

10–2

ковых пленок будут иметь значительные преимущества по сравнению с традиционными с точки зрения потерь по полезному сигналу.

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СВЧ-ДИАПАЗОНА Рассмотрим пример, характеризующий возможность использования явления S–N-переключения сверхпроводниковых пленок для создания быстродействующих устройств ограничения СВЧ-диапазона. На рис. 5, а приведена упрощенная схема включения защитного S–N-устройства в цепь между антенной и приемником (П). Устройство предназначено для защиты

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4

ФИЗИКА Фильтр состоит из резонансных отрезков микрополосковой линии длиной, приблизительно равной λ половине длины электромагнитной волны -----в , соот2 ветствующей частоте пропускания фильтра f0 . Резонансные элементы, так же как и заземляющее покрытие на обратной стороне подложки, выполнены из сверхпроводниковой пленки. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) такого фильтра, то есть зависимость, иллюстрирующая на различных частотах, насколько мощность выходного сигнала отличается от мощности входного, приведена на рис. 5, в. Так как потери СВЧ-сигнала в пленках в сверхпроводниковом состоянии очень малы, то коэффициент передачи в полосе пропускания фильтра (Рвых /Рвх) практически равен единице и фильтр обеспечивает передачу полезного сигнала без потерь (красная кривая на рис. 5, в). Под действием мощного паразитного электромагнитного импульса микрополосковые элементы переходят из S-состояния в N-состояние и АЧХ фильтра радикально меняется, обеспечивая более чем в тысячу раз уменьшение мощности выходного импульса по сравнению с входным.

a

S-N-устройство

П

ГР

б

в Диэлектрическая подложка λB 2

Выход

Pвх Pвых

N

103 102 101 100

Вход

Микрополосковый резонатор Пленка сверхпроводника

S f0

f

Рис. 5. Схема защиты входа приемника от паразитного электромагнитного импульса (а); топология полосно-пропускающего сверхпроводникового фильтра (б) и его амплитудно-частотная характеристика для S- (красная кривая) и N-состояний (в)

входа приемника от паразитных электромагнитных импульсов, которые, например, возникают при грозовых электрических разрядах. Первой ступенью защиты в таких системах может быть мощный газовый разрядник (ГР), шунтирующий большой паразитный ток на землю. Однако за время его срабатывания (0,1–1 мкс) начальная часть паразитного импульса может пройти на вход приемника и привести к его разрушению. S–N-устройство реагирует на импульс значительно быстрее (
1 нс) и обеспечивает защиту приемника на период срабатывания газового разрядника. Одним из вариантов защитного S–N-устройства может быть полосно-пропускающий микрополосковый фильтр, топология которого приведена на рис. 5, б.

Необходимо заметить, что эффект уменьшения выходного сигнала по сравнению с входным обусловлен не процессами теплового рассеяния мощности сигнала в элементах фильтра, перешедших в N-состояние, а практически его полным отражением от входа фильтра. Этот эффект можно использовать не только для элементов защиты, но и для создания устройств, быстро переключающих сигнал из одного канала в другой. Например, при работе радиолокационной станции необходимо обеспечивать переключение одной и той же антенны как на передатчик (режим посылки мощного импульса), так и на приемник (режим приема отраженного от цели сигнала). Задача быстрого переключения большего количества каналов для одновременной связи многих абонентов сотовой телефонной связи также может быть решена на основе S–N-переключающих устройств. Круг возможного успешного использования рассмотренных свойств сверхпроводников в технике СВЧ значительно шире, чем приведенные примеры, и, что не менее важно, стимулирует интерес ученых в исследовании как физики сверхпроводимости, так и ее приложений. Однако мы должны понимать, что путь, который предстоит пройти для развития сверхпроводимости и ее практического использования, ничем не отличается от пути, пройденного другими направлениями науки в прошлом. А это всегда путь надежд, разочарований и большой интересной работы.

К О З Ы Р Е В А . Б . Э Ф Ф Е К Т Б Ы С Т Р О ГО П Е Р Е К Л Ю Ч Е Н И Я С В Е Р Х П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Л Е Н О К …

99

ФИЗИКА ЛИТЕРАТУРА

7. Shen Z. High-Temperature Superconducting Microwave Circuits. Boston: Artech House, 1994. 278 p.

1. Буккель В. Сверхпроводимость. М.: Мир, 1975. 366 с. 2. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: Наука, 1982. 239 с.

Рецензент статьи А.И. Головашкин

3. Ван Дузер Т., Тернер Ч.У. Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей. М.: Радио и связь, 1984. 338 с.

***

4. Kozyrev A.B., Samoilova T.B., Dudin A.K., Shaferova S.Y. Nonlinear surface resistance and frequency mixing in superconducting films // Supercond. Sci. Technol. 1994. Vol. 7. P. 777–782.

Андрей Борисович Козырев, доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, руководитель лаборатории "СВЧ-криоэлектроника". Область научных интересов – СВЧ-свойства сверхпроводниковых и сегнетоэлектрических материалов и создание СВЧ-криоэлектронных устройств на их основе. Автор и соавтор свыше 150 научных работ и одной монографии.

5. High-Tc Superconductors: Physical Principles of Microwave Applications / Ed. O. Vendik. St. Petersburg: ELTECH, 1991. 146 p. 6. Аксаев Э.Е., Гершензон Е.М., Гольцман Г.Н. и др. Механизмы детектирования магнитного излучения в пленках YBa2Cu3O7 − x // Сверхпроводимость. 1990. Т. 3, № 8. С. 1928–1942.

100

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4