Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Современное развитие науки и техники характеризуется постоянным увеличением объема и скорости цифровой обработки информации. В последнее время был достигнут значительный прогресс в этой области с помощью развития сверхбыстрых («ЗООГГц) сверхпроводниковых цифровых устройств, обладающих рекордно малым энерговыделением [1]. Основным направлением в этой области является применение схем с кодированием информации в виде одиночных квантов магнитного потока [2]. К настоящему моменту, создана полная система логических элементов, работающих при температуре жидкого гелия, и продемонстрирована ее конкурентоспособность по сравнению с современными полупроводниковым аналогами [3,4].
Основной проблемой использования низкотемпературных сверхпроводниковых схем является необходимость их охлаждения до гелиевых температур. Использование высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов позволяет решить эту проблему. Высокотемпературные сверхпроводники и устройства на их основе обладают и рядом других преимуществ. В частности, ВТСП материалы дают возможность существенно повысить рабочую (тактовую) частоту устройств [5]. Однако ВТСП цифровые устройства требуют для своей разработки и проектирования специальных подходов.
Теоретический анализ показывает, что рабочая частота современных цифровых сверхпроводниковых устройств существенно превосходит частоту полупроводниковых приборов [3], которые могут
!
быть использованы для их тестирования. Это делает вполне актуальным разработку новых тестирующих методов и устройств на их основе.
В данной работе проведено теоретическое исследование возможности использования высокотемпературных джозефсоновских переходов в цифровых схемах и сформулированы основные требования к технологии их изготовления. Разработано устройство для полного цифрового тестирования сверхпроводниковых схем, с кодированием информации в виде одиночных квантов магнитного потока. Рассчитаны и спроектированы основные блоки устройства.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью данной работы является анализ возможности использования высокотемпературных джозефсоновских переходов в цифровых схемах, а так же разработка методов высокочастотного тестирования сверхпроводниковых цифровых схем средней степени сложности.
Впервые на основе экспериментальных характеристик различных ВТСП джозефсоновских переходов был проведен анализ их применимости для создания цифровых схемах.
Исследована температурная зависимость работоспособности ВТСП цифровых схем. Впервые получена оценка максимальной рабочей температуры таких устройств.
На основе проведенного анализа сформулированы основные требования на параметры технологии изготовления ВТСП джозефсоновских переходов.
Предложен оригинальный метод восстановления индуктивных параметров в ВТСП схемах на основе планарных джозефсоновских переходов.
Разработано простейшее ВТСП устройство из семейства БОК логики - балансный компаратор. Проведена оптимизация его параметров, рассчитаны предельные характеристики и сконструирована топология схемы.
Проведен анализ результатов экспериментального исследования ВТСП балансного компаратора. Показано, что экспериментальные данные находятся в количественном согласии с результатами расчетов.
Предложена конкретная реализация тестового модуля BILBO (Bmlt in Logic Block Observer) для проверки цифровых сверхпроводниковых схем быстрой одноквантовой (БОК) логики средней степени сложности.
Разработана серия новых устройств БОК логики для реализации тестового модуля. Проведено их экспериментальное исследование.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что полученные результаты могут быть использованы при проектировании и тестировании сверхпроводящих цифровых схем на основе БОК логики.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
-
Third International Superconductivity Electronics Conference (ISEC'91), Glasgow, Scotland, June 25-27, 1991.
-
ХГ/ International Cryogenic Engineering Conference and Internationa] Cryogenic Materials Conference (ICEC'92), June 8-12, Kiev, Ukraine, 1992.
-
1992 Applied Superconductivity Conference, Chicago, USA, August 21-28, 1992.
-
VI Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Dubna, Russia, September 14-18, 1993.
-
VII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Munich, Germany, September 12-15, 1994.
-
1994 Applied Superconductivity Conference, Boston, USA, October 16-21, 1994.
-
International Cryogenic Engineering Conference (ICEC'94), Genova, Italy, June 7-10, 1994.
-
International Superconductivity Electronics Conference (ISEC'95), Tokyo, Japan, September 18-21, 1995.
-
1995 Europen Applied Superconductivity Conference (EUCAS'95), Edinburg, Schotland, November 11-18, 1995.
-
VIII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Lviv, Ukraine, September 06-09, 1995.
-
1996 Applied Superconductivity Conference, Pittsburg, USA, August 24-31, 1996.
-
IX Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Ilmenau, Germany, September 22-27, 1996.
-
6th International Superconductivity Electronics Conference (ISEC'97), Berlin, Germany, June 25-28, 1997.
-
X Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Nizhny Novgorod, Russia, September 11-15, 1997.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из предисловия, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы (105 наименований). Объем диссертации составляет ПО страниц печатного текста, включая 34 рисунка.
