Единица электрического напряжения постоянного тока обычно воспроизводится с применением эталонов,

Единица электрического напряжения постоянного тока обычно воспроизводится с применением эталонов, основанных на эффекте Джозефсона*, – протекании тока между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким барьером диэлектрика. Современные СПИС эталонов содержат цепочки из нескольких тысяч переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник туннельного типа [1–3]. Под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) переходов появляются ступени тока при напряжениях, которые определяются частотой излучения и номером ступени. Полученные квантованные значения напряжения подчиняются соотношению: Vn = Fn/KJ , где F – частота СВЧ-излучения, которая контролируется системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с относительной погрешностью 10-10; n – целое число; KJ – фундаментальная константа Джозефсона. Ступени на ВАХ распространяются вплоть до напряжения ~1 мВ.

Для одиночного перехода максимальное воспроизводимое квантованное напряжение определяется соотношением n·V1 ≈ 1 мВ, где n – номер ступеньки. Константа V1 соответствует напряжению первой ступеньки при частоте 70 ГГц (примерно 145 мкВ). Для получения более высоких уровней переходы включают последовательно по постоянному току и последовательно-параллельно по переменному. Чтобы воспроизвести значение 1 В, требуется порядка 2000–3000 переходов, а 10 В – свыше 10000.

На характеристики СПИС накладываются жесткие ограничения. Оптимальное значение критической плотности тока jc составляет 10–30 A/см2. Плазменная частота переходов Fp должна быть существенно ниже планируемой рабочей частоты (70 ГГц). В противном случае в переходах Джозефсона возникает динамический хаос.

Плазменная частота рассчитывается по формуле Fp = (ejc/πhCs)1/2, где e– заряд электрона, h – постоянная Планка, Сs – удельная емкость перехода.

Условие F >> Fp гарантирует существование стабильных ступеней тока на ВАХ переходов. Хорошее качество туннельных переходов достигается при однородном распределении постоянного и переменного токов по сечению барьера. Оптимальными параметрами переходов являются: ширина 30– 50 мкм; длина 10–20 мкм; критический ток Ic = 100– 300 мкА; напряжение щелевой особенности Vg = 2,5–2,8 мВ; токи утечки при напряжениях ниже особенности Isg<10 мкА. На ВАХ таких переходов амплитуда ступеней по току лежит в диапазоне 30–100 мкА при напряжении до 1 мВ. То есть для микросхемы, рассчитанной на воспроизведение 1 В, потребуется 1500–2000 переходов.

Цепочки джозефсоновских туннельных переходов формируются в виде многослойной структуры с нижними и верхними электродами из тонких пленок ниобия (рис.1). Нижние электроды попарно соединяют туннельные переходы в виде отдельных полосок. Верхние электроды соединяют эти части в сплошную микрополоску, по которой ток течет через все переходы.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector