Прикладное значение контактов сверхпроводников и полупроводников для микроэлектроники  с годами, особенно по мере развития технологии получения сверхтонких однородных полупроводников, сверхпроводников, слоев и субмикронных зазоров, возрастало наряду с возрастанием значения полупроводниковых охлаждаемых  гетероструктур.

  Новые криоэлектронные структуры на базе контактов сверхпроводников с полупроводниками и полуметаллами так же, как и новые структуры на базе контактов сверхпроводников с нелинейными сегнетоэлектриками в параэлектрической фазе (при Т>Тс) и нелинейными криопараэлектриками, в которых заложены многие новые функциональные возможности, заняли свое место среди новых материалов и структур микроэлектроники. При этом могли появиться приборы как бы с тройной интеграцией: интеграцией элементов, интеграцией материалов и явлений и интеграцией функций в одной твердотельной схеме с корпусом-криостатом.

  Полезно обратить внимание на принципиальное различие между энергетической щелью (запрещенной зоной) в полупроводнике и щелью в сверхпроводнике. В полупроводнике минимумы энергии Е(р) определяются кристаллической решеткой и наличие щели приводит при Т==0 К (при отсутствии контакта со сверхпроводником), к нулевой проводимости. В сверхпроводнике минимумы Е(р) определяются взаимодействием электронов внутри электронной системы и наличие щели приводит к бесконечной проводимости.

Заключение

Новые проблемы и пути их решения

  Криоэлектронику часто относят к микроэлектронике, считая ее высшей ступенью создания интегральных пленочных схем для ЭВМ. Это определение весьма неполное и охватывает только одно из направлений криоэлектроники—интегральную криотронику на тонкопленочных сверхпроводниковых элементах со слабой связью. В целом же интегральная криоэлектроника, базируясь на достижениях технологии современной микроэлектроники, включает более широкий круг проблем, без решения которых невозможно создать приборы, работающие при криогенных температурах и пригодные для серийного производства и постоянной эксплуатации. Дело в том, что криоэлектроника в отличие от полупроводниковой микроэлектроники опирается на новые физические явления, такие как: сверхпроводимость, эффекты Джозефсона, явления в узкозонных полупроводниках, полуметаллах, параэлектриках и др., проявляющиеся только при охлаждении и не реализованные ранее. При этом криоэлектронный микроприбор или интегральная криоэлектронная схема может представлять собой симбиоз охлаждаемой электронной схемы и охладителя (газового, электронного либо радиационного). Развитие интегральной криоэлектроники, как и развитие всей микроэлектроники, знаменует собой новый этап в электронной технике. Внедрение криоэлектронных приборов в народное хозяйство, в технику связи и телевидение, вычислительную, радиолокационную технику и приборостроение не только позволяет в больших системах уменьшить габариты, массу и стоимость аппаратуры при увеличении ее надежности, но и приведет к коренному улучшению электрических параметров этой аппаратуры. Как видно из приведенных материалов, уровень охлаждения в основном определяет параметры и область применения криоэлектронных приборов. Приборы азотного уровня охлаждения, самые дешевые и легкие, могут все шире применяться в массовой мобильной аппаратуре, а приборы гелиевого уровня охлаждения, энергопотребление которых в 25—70 раз больше, находят применение в стационарных, тяжелых объектах или там, где уже есть жидкий гелий. При этом электрические параметры приборов гелиевого уровня, в которых могут использоваться сверхпроводники, будут значительно лучше параметров приборов других уровней охлаждения, где сверхпроводники применить не удается. Границы применения криоэлектронных изделий трудно установить, но совершенно очевидно, что расширение и углубление научных, конструкторских и технологических работ в области криоэлектроники вообще и, в частности, техники криостатирования позволяет решить ряд важных проблем.

  Первая проблема — освоение дальнего и сверхдальнего ИК диапазонов для приема естественных и лазерных ИК излучений. Это позволяет расширить спектральные границы систем для изучения природных ресурсов Земли и планет и поставить новые твердотельные охлаждаемые лазеры, эффективно работающие в ИК диапазонах на службу человеку.

  Вторая проблема—создание криоэлектронных индикаторов слабого теплового излучения на базе интегральных приборов с зарядовой связью для тепловидения в промышленности, геологии и в медицине. Есть основание полагать, что криоэлектронные индикаторы дадут возможность осуществить раннюю диагностику ряда раковых заболеваний.

  Третья проблема—создание массовых малогабаритных сверхчувствительных приемников, воспринимающих с высокой избирательностью по частоте и помехозащищенностью такие слабые радиосигналы, которые обычные приемники даже не в состоянии обнаружить. Эти приборы находят самое широкое применение в системах оповещения, управления, связи, телевидения, телеметрии, пассивной локации и навигации, космической техники, радиоастрономии, приборостроения и системах наведения. При этом, например, дальность обнаружения пассивной локации, связи, телеметрии возрастает в 2—3 раза, защита от помех в 10—100 раз. Прием сверхдальнего телевидения через спутник в любой точке страны в новых высокоинформативных участках СВЧ диапазона возможен непосредственно домашними телевизорами с помощью небольшой коллективной антенны. Разработка твердотельных перестраиваемых и модулируемых лазеров дальнего ИК диапазона и создание нового тина твердотельных СВЧ генераторов, имеющих при высоком к. п. д. стабильность частоты, присущую квантовым генераторам, в десятки и сотни раз большую выходную мощность во всем СВЧ диапазоне, является четвертой проблемой.

  Криоэлектроника позволила создать большие и сверхбольшие интегральные схемы нового типа на основе сверхпроводящих пленочных структур для разработки нового класса электронных вычислительных машин со сверхбольшой памятью, меньших по габаритам и в 10— 100 раз более производительных, чем ранее существующие. В результате успешного решения технологических проблем в 1980—1985 гг. были изготовлены ЗУ с емкостью 256 Кбит на кристалле, временем записи и считывания 620 и 340 нс соответственно и потребляемой мощностью 7 мкВт.

  Согласно прогнозам давних лет сверхпроводниковая ЭВМ могла бы быть изготовлена к 1990 г., причем память большой емкости - к 1983—1985 гг., а Центральный криоэлектронный процессор - к 1985—1987 гг. Однако из-за необходимости охлаждения сверхпроводниковые вычислительные устройства имеют ограниченные специальными целями применения. Значительный прогресс в разработке и выпуске, холодильных устройств (криостатов и рефрижераторов с замкнутым циклом на температуру 4,2 К) существенно удешевляет затраты, связанные с охлаждением. Действительно, ЗУ емкостью 108 бит состоит из 5*103 пластин размером 1 см2 содержащих каждая 2*104 бит. Мощность, потребляемая одной платой 10-4 Вт, полным ЗУ—0,5 Вт.

  В эти же годы, по прогнозу, должны были быть созданы комбинированные (с газовым каскадом) и электронные твердотельные микроохладители на различные уровни криогенных температур, вакуумные и твердотельные приборы со сверхпроводящими соленоидами для освоения новых СВЧ диапазонов (миллиметровых и субмиллиметровых волн), измерительные приборы с разрешающей способностью и чувствительностью в 100—1000 раз лучше существующих.

  Характерной чертой электроники являлось разнообразие материалов, применяемых в электронной технике. Наряду с диэлектриками и широкозонными полупроводниками все большую роль в электронике играли узкозонные полупроводники, материалы с температурой Кюри, лежащей в области криогенных температур, и сверхпроводящие материалы. Если ранее широкому внедрению сверхпроводников в электронику препятствовало то, что сверхпроводимость в них наступала при очень глубоком охлаждении, близком к абсолютному нулю, то теперь положение коренным образом изменилось. Синтезированы новые материалы, которые уже при Т~20 К становятся сверхпроводниками, созданы узкозонные полупроводниковые твердые растворы, полуметаллы, тонкие пленки, гетеро- и варизонные структуры на их основе, параэлектрические пленки на SrTiO3 с высокой нелинейностью, примесные пленки. Для выполнения столь обширной программы в области криоэлектроники необходима консолидация научных сил, занимающихся низкотемпературным материаловедением, низкотемпературной электроникой твердого тела и криогенным приборостроением, а также проведение фундаментальных работ по основным направлениям криоэлектроники, без которых нельзя ликвидировать создавшийся разрыв между большими открытиями в физике низких температур, прежде всего по сверхпроводимости и свойствам узкозонных полупроводников, полуметаллов и параэлектриков при криогенных температурах, и возможностью их широкого практического использования. Вместе с тем очевидно, что развитие криоэлектроники обогащало научно-техническую оснащенность страны, способствовало более быстрому развитию физики, химии, радиотехники, связи, автоматики, приборостроения. С каждым годом увеличивалось влияние криоэлектроники на другие области электронной техники. Это обусловлено тем, что непрерывное улучшение параметров электронных приборов постепенно приближает их к теоретически возможному пределу при обычных температурах. Глубокое охлаждение позволяет намного перешагнуть эти пределы и применять охлажденные приборы в едином модуле с криоэлектронными, что приводит к комплексной микроминиатюризации сложной радиоэлектронной аппаратуры.

  Приборы криоэлектроники, как и приборы вакуумной, полупроводниковой, квантовой электроники и микроэлектроники, должны непрерывно дополнять и расширять возможности электроники. Это открыло огромные перспективы. На рубеже 1985—1995 гг. планировалось осуществить разработку и выпуск многоспектральных криоэлектронных приемных устройств, перекрывающих средний, дальний и сверхдальний ИК диапазоны для комплексов изучения природных ресурсов Земли и планет. А также следующее:

—      промышленный выпуск приемных и приемопередающих ИК и СВЧ криоэлектронных модулей с твердотельными и электронными охладителями, которые находят широкое применение во многих наземных, космических и орбитальных системах связи, в радиолокации, телеметрии, управлении, автоматике, приборостроении, ракетной технике;

—      широкое внедрение криоэлектронных приборов, обеспечивающих непосредственный прием через космос многих программ телевидения в любой точке Земли домашними телевизорами, а также прием сверхдальнего телевидения в салонах самолетов дальних рейсов, поездах и пароходах дальнего следования, в автомобилях. Возможен прием в любой точке Земли цветного телевидения, передаваемого как земными телецентрами, так и телецентрами других объектов;

—   Возможно также создание крупных орбитальных криогенных вычислительных центров единой системы навигации и прогноза погоды; сооружение криогенных вычислительных центров на Луне и других планетах, а также комплексов, работающих в открытом космическом пространств с охлаждением за счет радиации и твердых газов;

—   приближение к. п. д. многих электронных приборов СВЧ к 100%; освоение новых участков спектра в дальнем ИК диапазоне;

—   разработка массивов криотронных микропереключателей с внутренней логикой для создания автоматической телескопной связи, охватывающей в единой системе народное хозяйство и население страны. Одной из причин, вынуждающих уже сегодня все шире применять криоэлектронные приборы, является резкое усложнение условий, в которых должны работать электронные приборы. С каждым годом область рабочих температур непрерывно расширяется, и если когда-то температура —80°С была пределом для интегральной схемы, то теперь рабочие температуры понижаются до —200°С и даже —270°С, т. е. почти до абсолютного нуля. Космическое пространство с его условиями вакуума, холода, радиации, а также ракетные криогенные жидкости (жидкий кислород, водород) гелий и отвердевшие замороженные газы - вот примеры сред, в которых должны функционировать современные приборы электроники.

  Развитие в мире нового вида энергетики, основанного на промышленном использовании криогенного водородного топлива (газа, жидкой и твердой фазы) вместо минерального топлива и электроэнергии, стремительное освоение космоса делают все более обычным внедрение криоэлектронных изделий в народное хозяйство.

  В заключение необходимо отметить, что развитие криоэлектроники, конечно, не приводит к замене существующих методов создания электронных приборов, а лишь расширяет возможности электронной техники, особенно там, где не требуется сверхминиатюрность, а высокие электрические параметры интегральных устройств являются определяющим фактором.

Вывод

  Применение криогенных температур в электронике в промышленных масштабах началось в 50-х гг. ХХ в. в СССР, США и др. странах, когда были получены важные для радиоэлектроники практические результаты исследований низкотемпературных явлений в твердом теле и достигнуты успехи в области криогенной техники по разработке малогабаритных, экономичных и надежных систем охлаждения. Существенную роль в развитие криоэлектроники сыграли потребности радиоастрономии и космической связи в радиотелескопах и земных станциях, обладающих высокочувствительными приемными трактами, с помощью которых можно было бы компенсировать затухания радиоволн при распространении на протяженных трассах. Применение криогенного оборудования позволило снизить собственные тепловые шумы входных цепей радиоэлектронных устройств, предназначенных для работы при малом отношении сигнал-шум. В СССР результатом комплексных исследований свойств охлажденного твердого тела стало создание в 1967 системы земных станций космической связи "Орбита" для приема программ центрального телевидения  через спутник связи "Молния" в диапазоне частот около 1 ГГц. В составе приемной аппаратуре земных станций применялся многокаскадный широкополосный малошумящий параметрический усилитель, первые каскады которого охлаждались жидким азотом. Важным этапом в развитие криоэлектроники явились разработка в СССР первого в мире приемника субмиллиметрового диапазона длин волн с гелиевым охлаждением и его успешные испытания в 1978 на борту научно-исследовательского комплекса "Салют-6" - "Союз-27". Установленный в 1979 на радиотелескопе АН СССР (РАТАН-600) криоэлектронный радиометр вывел этот радиотелескоп в разряд одного из самых чувствительных в мире и позволил на порядок увеличить объем информации о радиоизлучении Галактики. В 1984-86 в процессе реализации многоцелевого международного проекта "Венера - комета Галлея" криоэлектронный параметрический усилитель в составе радиоприемной аппаратуры обеспечил прием с расстояния более 100 млн. км радиолокационного изображения планеты Венера и крупномасштабных телевизионных изображений кометы Галлея с космических аппаратов "Венера-15","Венера-16","Вега-1","Вега-2".

Приложение

Таблица № 1

Некоторые свойства веществ при криогенных температурах.