криогенная электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твёрдых телах при криогенных температурах (ниже 90К) и создание электронных приборов на их основе. В криоэлектронных приборах используются различные явления: Сверхпроводимость металлов и сплавов, зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков (См. Диэлектрики) от электрического поля, появление у металлов при Т < 80К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности электронов проводимости и др.

К криоэлектронным приборам следует отнести: запоминающие и логические криоэлектронные устройства вычислительной техники; генераторы, усилители, переключатели, резонаторы, детекторы, преобразователи частоты, фильтры, линии задержки, модуляторы и др. приборы СВЧ; сверхпроводящие Магнитометры, Гальванометры, Болометры и др. Одной из задач К. является создание электронных охладителей, а также миниатюрных приборов, сочетающих в одной конструкции электронную схему, Криостат, служащий герметической оболочкой, и охлаждающее устройство.

Криотроны. Развитие К. началось с создания Криотрона (1955) - миниатюрного переключательного элемента, действие которого основано на явлении сверхпроводимости. Криотроны - элементы логических, запоминающих и переключательных устройств. Они отличаются низким потреблением энергии (10^-18дж), малыми габаритами (до 10^-6мм²), быстродействием (время переключения Криоэлектроника 10^-11сек). Первые проволочные криотроны были вскоре заменены плёночными (1958-1960). В 1955-56 появились др. плёночные запоминающие элементы: персистор, персистотрон, ячейка Кроу, однако они не получили распространения. Основным криоэлектронным элементом в вычислительной технике остался плёночный криотрон. В 1967 был разработан плёночный туннельный криотрон (криосар), основан на Джозефсона эффекте.

Криоэлектронные усилители. Проблема приёма слабых сигналов СВЧ стимулировала появление низкотемпературных твердотельных усилителей, основанных на разных физических явлениях и обладающих ничтожно малыми шумами. К ним следует отнести прежде всего парамагнитный Квантовый усилитель и параметрический усилитель, работающий при температуре 90K. В последнем роль активного элемента (параметрического полупроводникового диода (См. Параметрический полупроводниковый диод)) играет либо р-n-переход в полупроводнике (См. Полупроводники) с высокой подвижностью носителей при Т < 90К, либо переход металл - полуметалл (См. Полуметаллы) (InSb, рис. 1). Последний приобретает при Т < 90К свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей в 10²-10³ раз выше, чем у Ge и Si. Мощность, потребляемая таким усилителем, Криоэлектроника 10^-1- 10^-2 вт.

Сверхпроводниковый усилитель также основан на принципе параметрического усиления, но в этом случае периодически изменяется не ёмкость С колебательной системы, а её индуктивность L (рис. 2). Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая плёнка сверхпроводника при температуре несколько ниже T_kp. В сверхпроводящей плёнке возникает т. н. "сверхиндуктивность" L_к обусловленная кинетической энергией движущихся сверхпроводящих электронных пар. Индуктивность L_k при определённом выборе геометрии плёнки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать сверхпроводящие электронные пары, изменяя их число n_s, и этим самым можно периодически изменять индуктивность L_k по закону: L_k = 1/n_s.

Параэлектрические усилители основаны на аномально высокой поляризации некоторых диэлектриков (например, CrTiO₃) при низких температурах. Диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков (параэлектриков) от 10 до 15·10³, при Т < 80К появляется сильная зависимость диэлектрических потерь от внешнего электрического поля (рис. 3). Активный элемент параэлектрического усилителя представляет собой электрический конденсатор, заполненный таким параэлектриком, помещенным в электромагнитное поле (накачка). Ёмкость такого конденсатора периодически изменяется с частотой накачки, что позволяет осуществить параметрическое усиление (рис. 4).

Существуют усилители, в которых используются комбинации перечисленных методов. Например, сочетание изменяющихся индуктивности L сверхпроводника и ёмкости С "запертого" перехода металл - полуметалл позволяет создать усилитель, где одновременно от одного генератора модулируется С и L, что улучшает характеристики усилителей (рис. 5).

Количественным критерием чувствительности криоэлектронных усилителей является их Шумовая температура Т_ш. У криоэлектронных усилителей она достигает единиц и долей градуса К (рис. 6). Наряду с этим криоэлектронные усилители обладают широкой полосой пропускания и высоким усилением (обычно от 10 до 10⁴).

Криоэлектронные резонаторы. Повышение стабильности частоты генераторов СВЧ ограничено величиной добротности Q объёмных резонаторов (См. Объёмный резонатор), которая зависит от активных потерь энергии в их проводящих стенках. Теоретически предел Q обычных резонаторов 2-8·10³ для основного типа волн в сантиметровом диапазоне. Добротность может быть увеличена в 10-100 раз охлаждением до 15-20K за счёт уменьшения рассеяния электронов на тепловых колебаниях кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки) металла.

Резонаторы со сверхпроводящими стенками теоретически должны обладать бесконечно большой добротностью из-за отсутствия потерь в поверхностном слое сверхпроводника. В действительности же потери существуют вследствие инерционности электронов. С другой стороны, на очень высоких частотах (Криоэлектроника 10¹¹гц), когда энергия кванта электромагнитного поля сравнима с энергией расщепления сверхпроводящих электронных пар (3,52 k T), потери в сверхпроводящем и нормальном состояниях становятся одинаковыми. Поэтому наибольшая добротность (Q Криоэлектроника 10¹¹) достигается в дециметровом диапазоне длин волн. Для λ = 3 см добротность сверхпроводящих резонаторов Криоэлектроника 10⁷-10¹⁰. С помощью сверхпроводящих резонаторов стабильность частоты обычных Клистронов может быть улучшена с 5․10^-4 до 10^-9-10^-10, т. е. до уровня стабильности квантовых стандартов частоты (См. Квантовые стандарты частоты) при сохранении всех преимуществ клистронов. Сверхпроводящие резонаторы обычно работают при гелиевых температурах (4,2 К). Если в них используются сверхпроводники 1-го рода, то их рабочая температура поднимается до 10-15 К.

Фильтры и линии задержки. Сверхпроводящий фильтр представляет собой цепочку последовательных соединений сверхпроводящих резонаторов. Избирательность в полосе запирания у такого фильтра повышена в 10³-10⁶ раз по сравнению с обычными фильтрами.

Сверхпроводящая линия задержки в простейшем виде представляет собой тонкий кабель из сверхпроводника, свёрнутый в спираль и помещенный в криостат. Его длина соответствует времени задержки сигнала (τ Криоэлектроника мсек или долей мсек). Применяется в радиолокации и измерительной технике. Для τ Криоэлектроника нсек или псек используются сверхпроводящие меандры - извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих плёнок на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределённую индуктивность такой линии, можно управлять временем задержки τ. Применяются также параэлектрические фильтры и линии задержки.

Охлаждение в К. достигается различными методами. Криостат, который обычно служит оболочкой прибора, часто соединяют с криогенной установкой. Для охлаждения используются

также Джоуля - Томсона эффект, Пельтье эффект, Эттингсгаузена эффект, Магнитное охлаждение и др. В приборах для космических исследований охлаждение и поддержание низких температур достигается за счёт использования отвердевших газов (1 кг твёрдого азота может находиться в космосе до 1 года).

Иногда несколько приборов помещают в общий криостат, который может выполнять также определённые функции, например служить антенной (См. Антенна). Т. о. осуществляют интеграцию. Развитие К. особенно интегральной, приводит к увеличению надёжности приборов, уменьшению их габаритов, веса и расширяет области их применения (рис. 7).

Лит.: Брэмер Д ж., Сверхпроводящие устройства, пер. с англ., М., 1964; Крайзмер Л. П., Устройства хранения дискретной информации, 2 изд., Л., 1969; Алфеев В. Н., Радиотехника низких температур, М., 1966; его же, Криогенная электроника, "Известия ВУЗОВ. Радиоэлектроника", 1970, т. 13, в. 10, с. 1163-1175; Электронная техника. Серия 15, Криогенная электроника, в. 1, М., 1969, с. 3; Малков М., Данилов И., Криогеника, М., 1970; Уильямс Дж., Сверхпроводимость и ее применение в технике, перевод с английского, М., 1973.

В. Н. Алфеев.

Рис. 1. а - эквивалентная схема низкотемпературного параметрического усилителя; б - вольтамперная характеристика перехода металл-полуметалл (U - напряжение, I - ток) и зависимость его ёмкости С от напряжения при Т < 80 К; пунктиром показана эта же характеристика при комнатной температуре (300 К): U_н и ω_н - напряжение и частота накачки; в - переход металл-полуметалл является активным элементом усилителя.

Рис. 2. а - схема сверхпроводящего усилителя; L - yправляемая индуктивность; R_п - сопротивление перехода Джезефсона; б - активный элемент усилителя.

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости ε и угла диэлектрических потерь δ от температуры Т.

Рис. 4. а - активный элемент параметрического усилителя; б - зависимость его ёмкости С от напряжения при Т = 4, 2 К, пунктир - эта же зависимость при комнатной температуре.

Рис. 5. Криоэлектронный усилитель с 4 управляемыми реактивными параметрами.

Рис. 6. Зависимость шумовой температуры Т_ш, различных усилителей СВЧ от частоты: 1 - сверхмалошумящие электровакуумные (специальные типы ЛБВ) и полупроводниковые (туннельные и транзисторные) усилители; 2 - неохлаждаемые параметрические усилители; 3, 4, 5 - криоэлектронные усилители азотного, водородного и гелиевого уровней охлаждения; 6 - парамагнитные квантовые усилители.

Рис. 7. Низкотемпературный параметрический усилитель для сверхдальнего приёма телевизионных сигналов через искусственные спутники Земли: 1 - криостат; 2 - колебательная система с активным элементом; 3 - генератор накачки; 4 - входной фильтр.