Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Интерес к практическому применению квантовых макроскопических эффектов, проявляемых в структурах с джозефсоновскими переходами (ДП), во многом обусловлен возможностью создания аналоговых и цифровых систем сверхбыстрой обработки информации, обладающих исключительно низким энергопотреблением. Сочетание специфических нелинейных свойств ДП: короткое время переключения, малый уровень шумов, обусловленный низкими рабочими температурами (единицы К), возможность их изготовления методами стандартной тонкопленочной технологии -позволяют реализовать рекордные рабочие характеристики указанных устройств.
До настоящего времени основные усилия концентрировались на исследовании систем, построенных с использованием туннельных ДП с гистерезисной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), в которых естественным образом реализуется потенциатьный принцип представления цифровой информации. Однако, элементам и устройствам, разработанным на основе данного функционального семейства ДП, присущи целый ряд недостатков, ограничивающих их быстродействие. Недавно была предложена принципиально новая концепция построения цифровых устройств, позволяющая реализовать предельные параметры джозефсоновских элементов. В таких структурах цифровая информация кодируется одиночными квантами магнитного потока и обрабатывается в виде коротких импульсов напряжения площадью
J V(0 dt = Ф0 = 2.1 псхмВ. (1)
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - экспериментальное исследование сверхпроводниковых цифровых элементов и устройств с обработкой и хранением информации п форме одиночных квантов магнитного потока на структурах с ДП; экспериментальное изучение их быстродействия и областей работоспособности; реализация и экспериментальное исследование элементов преобразования
информации из потенциальной формы в одноранговую и обратно, обеспечивающих связь сверхпроводниковых схем с элементами традиционной электроники; изучение устойчивости работы элементов быстрой одноквантоьой (БОК) логики, определение числа их безошибочных переключений; реализация двоичных счетчиков одноквантовых импульсов, строб и аналого-цифрового преобразователей (АЦП) на одноквантовых элементах и экспериментальное исследование их параметров и характеристик.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе впервые получены следующие результаты:
-
Экспериментально исследованы и оптимизированы способы шунтирования туннельных ДП - основных элементов одноквантовых структур.
-
Экспериментально исследованы сверхпроводниковые цифровые элементы и устройства с обработкой информации в виде коротких импульсов напряжения и ее хранением в форме одиночных квантов магнитного потока. Продемонстрирована правильная работа отдельных элементов до частот порядка 100 ГГц.
3. Экспериментально реализованы и исследованы элементы
преобразования информации из потенциальной формы в одноквантовую и
обратно с широкими областями работоспособности. Экспериментально получено
правильное функционирование квазицифрового одноквантового умножителя
напряжения на два, основанного на удвоении входной частоты многоэлементной
системой ДП.
-
Проведено экспериментальное исследование устойчивости элементов быстрой одноквантовой логики с применением методики кольцевого тестирования. Продемонстрировано, что буферный каскад может выполнять не менее 10+15 безошибочных переключений.
-
Экспериментально реализован и исследован стробпреобразователь на шунтированных ДП, пригодный для исследования элементов БОК логики с частотой следования повторяющихся сигналов до 7 ГГц.
6. Экспериментально продемонстрирована правильная работа АЦП, основанного на быстрых одноквантовых элементах с корректно функционирующим до частоты 20 ГГц реверсивным счетчиком.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Основным итогом диссертационной работы является получение экспериментальных результатов, подверждающих возможность создания нового семейства сверхпроводниковых цифровых элементов и устройств. На основе указанных элементов возможна реализация устройств с рекордными для цифровой электроники быстродействием и низким энергопотреблением. Экспериментально апробированный в диссертации метод кольцевого тестирования устойчивости элементов быстрой одноквантовой логики и стробпреобразователь, позволяющий непосредственно измерять быстродействие элементов, могут быть использованы при исследовании надежности устройств средней степени интеграции. Полученные в диссертации экспериментальные результаты по исследованию двоичных счетчиков одноквантовых импульсов и аналого-цифрового преобразователя на одноквантовых элементах могут использоваться при создании широкополосных и точных АЦП.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах ИРЭ РАН, лаборатории криогенной электроники МГУ, в ИК им Глушкова АН Украины, НИИФП им. Ф.В.Лукина (г. Зеленоград), а также на научных конференциях:
-1 Всесоюзной школе молодых ученых по высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводниковой электронике г. Черноголовка 1988 г.
-25 Всесоюзном совещании по физике низких температур, г.Ленинград, 1988.
-15 и 17 Советско-Японских симпозиумах по новым материалам для электронных приборов г. Москва 1988 г., 1990 г.
-13 и 14 семинарах по прикладной сверхпроводниковой электронике г. Киев 1988 г., 1989 г.
-Международной конференции по прикладной сверхпроводимости, США: Сан-Франциско, 1988 г.; Сноу-Масс, 1990 г.; Чикаго, 1992 г.
-Международной конференции по сверхпроводниковой электронике, Япония, Токио, 1989 г.; Шотландия, Глазго, 1991 г.
-14 Международной конференции ICEC/ICMC, Киев-92, 1992.
-22 Европейской микроволновой конференции, Финляндия, Хельсинки, 1992.
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты настоящего исследования опубликованы в 21 печатных работах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из Предисловия, шести глав и Заключения. Объем работы составляет 127 страниц печатного текста, 44 рисунка и 4 таблицы. Библиография содержит 109 наименований.
