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超導器件是用超導體製成的固態電子器件。這類器件可完成電子技術中最基本的功能(如檢測、放大、邏輯、存儲等)。

1 超導器件 -超導器件

在電磁頻譜的最低端,可用於極高精度的電流比較儀、極低溫度的測溫技術、地磁與生物磁測量、引力波探測等。在頻譜的中段(射頻至微波),可用於功率和衰減的精密測量、超導穩頻腔、快速瞬態信號波形的精密測量、模擬-數字變換器、邏輯與存儲用集成電路等。超導器件的工作頻率一直可延伸到毫米波、紅外波段,並用於高靈敏度探測和接收、寬頻頻率綜合、激光頻率下的精密測量、基礎研究等方面。超導器件的功耗低、集成度高,在靈敏度、精度、響應速率、分辨能力等方面一般比室溫下最優的其他同類器件至少高1~2個數量級。
  超導器件的核心是超導隧道器件和超導量子干涉器件。
  超導隧道器件  1962年英國B.D.約瑟夫遜從理論上證明,當兩塊超導體之間存在弱耦合構成結時,庫柏電子對可以穿越其間的勢壘層而形成隧道電流。因而,通過結區可以流過一定的直流電流,而器件兩端的電壓降為零;若電流超過某一臨界值(通常在10-3~10-6安的範圍內),則器件兩端呈現一定的電壓降υ,流經結區的電流是高頻振蕩的形式,頻率為2eυh(式中e為電子電荷,h為普朗克常數)。1963年上述結論為實驗證實。這種現象稱為約瑟夫遜效應,或電子對隧道效應。
  若結區兩端的電壓超過超導體能隙所對應的值,則電場能量足以拆散庫柏電子對而形成准粒子。准粒子藉助隧道效應通過勢壘層的現象稱為準粒子隧道效應。習慣上把電子對隧道效應和准粒子隧道效應合稱超導隧道效應。利用這種原理製成的器件稱為超導隧道器件,有時也稱約瑟夫遜器件或約瑟夫遜結。上述器件按物理結構的不同,又可細分為隧道結、微橋結、點接解結等。
  超導量子干涉器件(SQUID)  ①直流SQUID:相當於採用超導環路將兩個約瑟夫遜結並接起來,形成一種兩端器件。在端電壓降為零時,它所能通過的最大電流是穿過環路的磁通量的周期函數,周期φ0(等於2.07×10-15韋)稱為磁通量子。由於φ0很小,這種周期性的關係為測量磁通提供了極其精密的分度。②射頻SQUID:在這種結構中單個約瑟夫遜結為超導環路所短接,並將環路與射頻偏置的槽路耦合從而獲得電壓響應。根據環路的電感和結的臨界電流,可將射頻SQUID的工作情況區分為不同的模式。SQUID結構是精密電磁測量的基礎。
  以超導隧道器件和SQUID為基本構件,可以製成檢測、放大、邏輯、存儲等器件。例如,將隧道結偏置在准粒子隧道效應伏安特性的非線性拐點附近,便成為檢測器,響應率已接近量子極限(每輸入一個光子即可產生一個電子)。目前研究工作集中於微波以上的頻率,但音頻下的響應率實際上與微波以上頻率相同。在放大功能方面,SQUID放大器最接近於通常晶體管放大器的作用,並可提供雜訊極低的功率增益。例如,將高靈敏度的直流SQUID與尺寸較大的但電感量極低的輸入線圈緊耦合,利用輸入信號對SQUID的臨界電流作磁調製,便可達到這一目的。但放大器的帶寬和動態範圍等尚須改進。在邏輯功能方面,已採用超導器件製成與門、或門、非門。超導邏輯電路具有功率低、開關延遲時間小等優點。在超導環路中接入SQUID,利用環路捕獲的磁通的量子化特性,可以製成隨機存儲器。這種存儲器的特點是,不進行讀出或寫入時器件內部功耗為零,而且是「永久性」的存儲,運轉速度極高(見超導性的微波應用)。

2 超導器件 -配圖

3 超導器件 -相關連接

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