超导器件

用于超导体制成的固态电子器件

在电磁频谱的最低端，可用于极高精度的电流比较仪、极低温度的测温技术、地磁与生物磁测量、引力波探测等。

简介

在频谱的中段（射频至微波），可用于功率和衰减的精密测量、超导稳频腔、快速瞬态信号波形的精密测量、模拟－数字变换器、逻辑与存储用集成电路等。超导器件的工作频率一直可延伸到毫米波、红外波段，并用于高灵敏度探测和接收、宽带频率综合、激光频率下的精密测量、基础研究等方面。超导器件的功耗低、集成度高，在灵敏度、精度、响应速率、分辨能力等方面一般比室温下最优的其他同类器件至少高1～2个数量级。

超导器件的核心是超导隧道器件和超导量子干涉器件。

超导隧道器件

当两块超导体之间存在弱耦合构成结时，库柏电子对可以穿越其间的势垒层而形成隧道电流。因而，通过结区可以流过一定的直流电流，而器件两端的电压降为零；若电流超过某一临界值（通常在10-3～10-6安的范围内）,则器件两端呈现一定的电压降υ，流经结区的电流是高频振荡的形式，频率为2eυ/h(式中e为电子电荷，h为普朗克常数)。1963年上述结论为实验证实。这种现象称为约瑟夫逊效应，或电子对隧道效应。

若结区两端的电压超过超导体能隙所对应的值，则电场能量足以拆散库柏电子对而形成准粒子。准粒子借助隧道效应通过势垒层的现象称为准粒子隧道效应。习惯上把电子对隧道效应和准粒子隧道效应合称超导隧道效应。利用这种原理制成的器件称为超导隧道器件，有时也称约瑟夫逊器件或约瑟夫逊结。上述器件按物理结构的不同，又可细分为隧道结、微桥结、点接解结等。

SQUID

超导量子干涉器件

　①直流SQUID：相当于采用超导环路将两个约瑟夫逊结并接起来，形成一种两端器件。在端电压降为零时,它所能通过的最大电流是穿过环路的磁通量的周期函数，周期φ0（等于2.07×10-15韦）称为磁通量子。由于φ0很小，这种周期性的关系为测量磁通提供了极其精密的分度。②射频SQUID:在这种结构中单个约瑟夫逊结为超导环路所短接，并将环路与射频偏置的槽路耦合从而获得电压响应。根据环路的电感和结的临界电流,可将射频SQUID的工作情况区分为不同的模式。SQUID结构是精密电磁测量的基础。

可以制成的器件

以超导隧道器件和SQUID为基本构件,可以制成检测、放大、逻辑、存储等器件。例如，将隧道结偏置在准粒子隧道效应伏安特性的非线性拐点附近，便成为检测器，响应率已接近量子极限（每输入一个光子即可产生一个电子）。目前研究工作集中于微波以上的频率，但音频下的响应率实际上与微波以上频率相同。在放大功能方面，SQUID放大器最接近于通常晶体管放大器的作用,并可提供噪声极低的功率增益。例如，将高灵敏度的直流SQUID与尺寸较大的但电感量极低的输入线圈紧耦合,利用输入信号对SQUID的临界电流作磁调制,便可达到这一目的。但放大器的带宽和动态范围等尚须改进。在逻辑功能方面，已采用超导器件制成与门、或门、非门。超导逻辑电路具有功率低、开关延迟时间小等优点。在超导环路中接入SQUID,利用环路捕获的磁通的量子化特性，可以制成随机存储器。这种存储器的特点是，不进行读出或写入时器件内部功耗为零，而且是“永久性”的存储，运转速度极高（见超导性的微波应用）。

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