Введение к работе
Актуальность работы. Ведущиеся в настоящее время интенсивные исследования свойств сверхпроводников и, в частности, нелинейных электродинамических эффектов в сверхпроводниках, представляют большой интерес как с точки зрения исследования фундаментальных аспектов явления сверхпроводимости, так и с точки зрения практических приложений. Низкие значения высокочастотного поверхностного сопротивления, возможность быстрого переключения из сверхпроводящего (s) в нормальное (н) состояние, малые потери на СВЧ и малая частотнонезависимая глубина проникновения поля делают сверхпроводниковые материалы чрезвычайно привлекательными для использования в СВЧ устройствах. Эффекты s-n переключения под действием транспортного тока повышенного уровня используются в СВЧ микроэлектронике для реализации быстродействующих устройств управления СВЧ сигналом (модуляторов, выключателей, фильтров-переключателей, фазовращателей). Наряду с токовым s-n переключением аналогичный эффект увеличения поверхностного сопротивления достигается под действием магнитного поля, нагрева, лазерного облучения, s-n устройства могут найти применение во входных цепях приемных устройств ВЧ-СВЧ радиоэлектроники в качестве устройств ограничения и защиты от повышенных уровней электромагнитных импульсов. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости позволило существенно повысить рабочую температуру таких устройств.
При определенных уровнях СВЧ мощности проявляется нелинейная зависимость поверхностного сопротивления сверхпроводников от уровня мощности, что приводит, в частности, к увеличению потерь и интермоду ляционным искажениям СВЧ сигнала в микрополосковых линиях передачи. Однако, нелинейное поведение пленок сверхпроводников мокет ока-. заться полезным как-при реализации устройств управления (ограничителей, устройств защиты от электромагнитных помех повышенного уровня), так и давать определенные преимущества при создании нелинейных СВЧ приборов (детекторов и преобразователей частоты), которые могут быть использованы как компоненты криогенной интегральной схемы, созданной в едином технологическом цикле. Помимо практического применения исследование нелинейного поведения пленок сверхпроводников интересно с точки зрения изучения их фундаментальных свойств (в частности, оценки постоянных времени, характерных дія различных ма-
ханизмов, ответственных за нелинейное поведение,- определения характера и времени зарождения СВЧ вихрей и др.).
Практическая реализация устройств управления СВЧ сигналом, а также приборов, основанных на нелинейности поверхностного сопротивления пленок сверхпроводников, оценка их параметров и предельных возможностей связаны с решением ряда научных проблем.
-
Проявление нелинейности сверхпроводников на СВЧ зависит от целого ряда параметров: микроструктуры, рабочей температуры, топологии сверхпроводниковых образцов, их состава и т.д. Поэтому важно выяснить, определяется ли нелинейное поведение фундаментальными свойствами -сверхпроводников или привнесенными факторами (технологическим процессом получения, внешними условиями и т.д.). Ответ на этот вопрос позволяет определить перспективы для расширения динамического диапазона линейных сверхпроводниковых устройств и управления параметрами нелинейных свврхпроводниковых приборов при повышенном уровне СВЧ мощности. Поэтому требуются дальнейшие экспериментальные работы по исследованию электрофизических и структурных характеристик тонких пленок NbN и ува^і^о,,..,, с целью дальнейшего определения их влияния на нелинейное поведение в СВЧ полях.
-
Постоянные времени, характеризующие различные механизмы, ответственные за нелинейное поведение пленок, являются основными параметрами, определяющими быстродействие устройств управления, работающих на s-n переключешш, а также рабочий диапазон частот для нелинейных приборов. Имеющиеся в настоящее время данные по времени разрушения параметра порядка сверхпроводящих пленок недостаточны для оценки быстродействия элементов по s-м переключению или рабочей полосы частот преобразователя, если их нелинейное поведение не связано с однородной по объему сверхпроводника модуляцией параметра порядка. Исследование отклика пленок на короткие импульсы напряжения позволяет оценить время разрушения сверхпроводимости надкритическим током и идентифицировать ряд механизмов, приводящих к появлению резистивного состояния. Полученные в результате этих исследований импульсные вольт-амперные характеристики могут быть положены в основу анализа эффекта смешения.на сверхпроводниковых пленках.
-
Нелинейное поведение пленок сверхпроводников проявляется в .нелинейности поверхностного сопротивления, в генерации гармоник при воздействии монохроматичного СВЧ сигнала или сигналов комбинационных частот при одновременном воздействии двух СВЧ сигналов (в част-
ности, в аффекте смешваїїя). В настоящее время в литературе имеется ряд работ, посвященных эффекту смешения, но они, в основном, касаются смешения на межгранульных связях или специально приготовленных джозефсоновских переходах. Исследование эффекта смешения на -без-инерционной нелинейности поверхностного сопротивления отрезка линии только начинается. Поэтому исследование нелинейного поверхностного сопротивления пленок сверхпроводников в широком диапазоне изменений внешних параметров (температуры, магнитного поля, уровня СВЧ -мощности) позволяет вияснить механизмы, ответственные за происхождение в них Сезйнерционной нелинейности, а также оценить пороговые уровни мощности, соответствующие началу нелинейного поведения, и динамический -диапазон проявления нелинейных эффектов.
4..Модели, описывающие процесс преобразования частот сверхпроводниковой пленкой при воздействии на нее двух СВЧ сигналов отсутствуют. Поэтому актуальной задачей является моделирование процесса преобразования частот на пленках сверхпроводников с целью его количественного описания и оценки предельных характеристик безинерцион-ного смесителя. Результаты моделирования позволяют выработать реко-мендации по улучшению параметров смесителя на сверхпроводниковой пленке.
Целью работы являлось: исследование в статическом и импульсном режимах, а также на СВЧ тонких сверхпроводниковьх пленок ньн и УВагСиэо7_х для определения их электрофизических параметров и изучения физических процессов, происходящих в них при воздействии сигналов повышенного уровня; оценка Оыстродбйотвия но s-n переключению под действием надкритичного тока,- оценка постоянных времени для рассмотренных механизмов, ответственных за нелинейное поведение пленок; определение порога нелинейности и диапазона уровней СВЧ мощности, в котором наблюдается нелинейное поведение пленок сверхпроводников для реализации устройств управлания СВЧ сигналом и преобразователей частоты; разработка модели безннерциошюго реэистив-ного смесителя на нелинейности поверхностного сопротивления сверх-проводниковой пленки.
Научная новизна работы заключается в следувд^м-. - на основе изучения отклика сцвржщютю&иічіСїМХ пленок но быстрое импульсное воздействие предложено Феноменологическое описа-
ниє резистивного участка импульсных вольт-амперных характеристик;
реализован амплитудный модулятор СВЧ сигнала на . основе пленок ува2Сиэо7_х, работающий при т = 78 К и по своим параметрам конкурентноспособный с аналогичными устройствами на основе традиционной элементной базы-.
исследованы механизмы нелинейности тонких пленок сверхпроводников на СВЧ. Оценены и для ряда механизмов экспериментально подтверждены граничные частоты;
. - проведены эксперименты по безинерционному смешению частот на выоокоориентированных пленках ува2Си о7_х,-
- предложен сверхпроводниковый резистивный смеситель на основе
беаинерционной нелинейности поверхностного сопротивления пленки
сверхпроводника, разработаны и испытаны макеты такого' смесителя,-
.- проведено моделирование резистивного сверхпроводникового смесителя, оценены предельные характеристики смесителя.
Практическую ценность работы представляют:
предложенная аппроксимация импульсной вольт-амперной характеристики, которая может быть положена в основу теоретического анализа эффекта смешения частот на безинерционной нелинейности поверхностного сопротивления тонких пленок сверхпроводников.-
результаты исследования влияния СВЧ мощности' повышенного уровня на транспортные и СВЧ свойства сверхпроводниковых пленок, позволяющие оценивать параметры СВЧ устройств управления сигналом и преобразователей частоты: токи и поля управления, пороговый уровень СВЧ мощности;
' - данные о граничных частотах для различных механизмов нели-нейнос/га, позволяйте определить диапазон частот проявления нелинейных ЭффеКТОВ ;
реализованные макеты амплитудного модулятора СВЧ сигнала к смесителя частот, рекомендации конструкторско-технологическогс характера, выработанные в результате испытаний макетов,-
разработанная модель безинерционного резистивного смесител? на основе пленок сверхпроводников, позволяющая оценить предельные характеристики смесителя и пути-их совевшвнетвования.
Научные положения, выносимые на защиту:
і. Значительное различие ВАХ, измеренных на постоянном токе и
импульсном режиме, свидетельствует о необходимости использования для анализа быстродействующих нелинейных устройств на основе сверхпроводниковых пленок импульсных ВАХ. Разистивный участок импульсной ВАХ может быть аппроксимирован квадратичной функцией вида и = ± RAicO/Jc ? і)2.
-
На основе пленок высокотемпературных сверхпроводников возможна реализация быстродействующих управляющих и ограничительных устройств СВЧ, работающих на азотном уровне температур и обеспечивающих глубину модуляции СВЧ сигналапорядка 20 дБ.
-
Создание безинерционных нелинейных устройств СВЧ на основе пленок NbN возможно до частот порядка 10* Гц, что подтверждается експериментами по смешению на частотах порядка I ГГц и 9 ГГц и по влиянию СВЧ мощности на отклик пленок сверхпроводников по постоянному току.
-
Анализ эффекта смешения частот двух СВЧ сигналов на сверхпроводниковом элементе показал, что в режиме смешения со второй гармоникой сигнала гетеродина коэффициант преобразования монотонно меняется от величины близкой к нулю до -15 дБ при увеличении значений амплитуд тока гетеродина от критического до значений, соответствующих переходу сверхпроводникового элемента в нормальное состояние. .
Апробация работы. Основные результаты диссартациоішой работы' докладывались и обсуждались на;
European Conference'on Applied Superconductivity, Gottingen, йапшпу, 1993.
23-d European Microwave Conference, Madrid, Spain, 1993.
48-ой научно-гвхнич. конференции, С.-Петербург, 1993.
- Научно-технических конференциях профессорско-преподава
тельского состава СПГЭТУ в 1991 - 1995 гг.
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в шести печатных трудах, опубликованных в научных журналах и тезисах докладов на конференциях.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 161 наименование. Основная часть работы'изложена на 142 страницах машинописного текста. Работа содержит 96 рисунков и 3 таблицы.
