Supraleiter-Elektronik: Grundlagen Anwendungen in der Mikrowellentechnik

183 Pages·1988·4.79 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing Johann Heyen Hinken (auth.)

Johann Hinken
Supraleiter-Elektronik
Grundlagen
Anwendungen in der Mikrowellentechnik
Mit 94 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1988
Prof. Dr.-Ing. Johann Heyen Hinken
Institut für Hochfrequenztechnik
Technische Universität Braunschweig
Postfach 3329
3300 Braunschweig
ISBN 978-3-662-10151-3 ISBN 978-3-662-10150-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10150-6
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Hinken, Johann H.:
Supraleiter-Elektronik: Grundlagen in d. Mikrowellentechnik I Johann H. Hinken.
Berlin ; Heidelberg; NewYork; London ; Paris; Tokyo : Springer, 1988
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1988
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1988
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2068/3020-543210
Vorwort
Mit der Entwicklung von Materialien, die beim Abkühlen schon oberhalb der
Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs ihren elektrischen Widerstand verlieren,
haben die Supraleitertechnik und mit ihr die Supraleiter-Elektronik erheblich an
Interesse gewonnen. Mit dieser Entwicklung war zwar nicht zu rechnen, als vor
gut einem Jahr die Arbeit an dem vorliegenden Buch aufgenommen wurde. Den
noch konnten Erkenntnisse zu Materialien mit hoher Sprungtemperatur, soweit
sie sich inzwischen bestätigt haben und für die Supraleiter-Elektronik interessant
erscheinen, mit aufgenommen werden.
Das vorliegende Buch behandelt die physikalischen und technischen Grundla
gen der Supraleiter-Elektronik, so wie man sie kennen muß, um die prinzipielle
Wirkungsweise supraleitender elektronischer Bauelemente zu verstehen. Speziel
le Ausführungsformen solcher Bauelemente können mit Vorteil z.B. in der Da
tentechnik, der Hochfrequenztechnik, der elektrischen und magnetischen Präzi
sionsmeßtechnik oder in der Elektromedizin eingesetzt werden. Von diesen
Bauelementen werden im Text darüber hinaus diejenigen detaillierter behan
delt, deren Entwurf oder Einsatz unter mikrowellentechnischen Gesichtspunkten
erfolgt.
Dieses Buch hat sich aus Teilen der Unterlagen zu einer Vorlesung heraus ent
wickelt, die für Studierende der Elektrotechnik, insbesondere der Hochfrequenz
technik, Elektronik und Elektrophysik an der Technischen Universität Braun
schweig gehalten wird. Vom Leser werden nur die Grundlagen der Elektronik
und der Maxwellschen Theorie sowie, in Kapitel 6, die elementaren Grundlagen
der Thermodynamik erwartet. Damit können alle Studierenden der Elektrotech
nik und der Physik das Buch verstehen. Es eignet sich als vorlesungs begleiten
der Text, zum Selbststudium und zur Einarbeitung in das Fachgebiet, aber auch
als Handbuch für den in Forschung und Entwicklung tätigen Ingenieur oder
Physiker.
Für die kritische Durchsicht einzelner Kapitel ist Herrn Prof. Dr. K.H. Gund
lach, Institut für Radioastronomie mit Millimeterwellen in Grenoble und Herrn
Dr. N.D. Kataria, National Physical Laboratory in New Delhi, zu danken. Frau
A. Demmer und Frau B. Titze danke ich herzlich für ihre Sorgfalt beim Schrift
satz und beim Zeichnen der Bilder. Herrn Dipl.-Ing. U. Klein und besonders
Herrn cand. el. R. Halx ist für vielfältige technische Unterstützung zu danken
VI
sowie dem Springer-Verlag für die angenehme Betreuung während der Entste
hungsphase dieses Buches. Schließlich soll noch ein besonderer Dank für ihre
Geduld an meine Frau und meinen Sohn gerichtet werden, denn das Familien
leben kam in letzter Zeit sicherlich oft zu kurz.
Braunschweig, November 1987 Johann Hinken
Inhaltsübersicht
Einleitung 1
1 Grundlagen der Supraleitung 4
1.1 Grundphänomene 4
1.2 London-Gleich ungen 9
1.3 Cooper-Paare und Bändermodell 13
1.4 Stromwärmeverluste in Normal- und Supraleitern 21
1.5 Flußquantisierung 26
1.6 Einfluß von Geometrie und Magnetfeld 28
2 SIS-Elemente 35
2.1 Strom-Spannungs-Charakteristik 36
2.2 Detektoren 42
2.3 SIS-Mischer 45
2.3.1 Konversionsmatrix und -gewinn eines Mischers 45
2.3.2 Konversionsgewinn des SIS-Mischers 51
2.3.3 Rauschen des SIS-Mischers 56
2.3.4 Eigenschaften praktischer SIS-Mischer 59
3 J osephson-Element e 64
3.1 Physikalische Grundlagen 64
3.2 Konzentrierte Josephson-Elemente 69
3.2.1 Autonomer Betrieb 70
3.2.2 Mikrowelleninjektion 74
3.3 Ausgedehnte Josephson-Tunnelelemente 77
3.4 Supraleitende Schleifen mit Josephson-Elementen 81
4 Anwendungen von Josephson-Elementen in der
Mikrowellen technik 87
4.1 Josephson-Spannungsnormale 87
4.2 Detektoren 95
4.2.1 Breitband-Detektor 97
VIII
4.2.2 Frequenzselektiver Detektor 99
4.3 Mischer 102
4.4 Verstärker 108
4.5 Oszillatoren 112
4.6 Eigenrauschen kryogener Empfangseinrichtungen 114
5 Materialien und Herstellungsverfahren 116
5.1 Tunnelelemente und planare supraleitende Schaltungen 116
5.1.1 Elektrodenmaterialien 117
5.1.2 Tunnelbarrieren 121
5.1.3 Strukturierung 125
5.2 Mikrobrücken 129
5.3 Punktkontakte 131
5.4 Oxidische Supraleiter mit hoher Sprungtemperatur 134
6 Technik tiefer Temperaturen 140
6.1 Erzeugung tiefer Temperaturen 140
6.1.1 Joule-Thomson-Expansion 143
6.1.2 Expansionsmaschinen 144
6.1.3 Stirling-Verfahren 144
6.1.4 Gifford-McMahon-Verfahren 145
6.2 Kühlung in Badkryostaten 146
6.3 Temperaturmeßtechnik 148
6.4 Werkstoffe 150
6.5 Kühlsysteme für Mikrowellellempfänger 152
Literaturverzeichnis 155
Liste der wichtigsten Formelzeichen 169
Sachverzeichnis 172
Einleitung
Die Elektronik ist das Sondergebiet der Elektrotechnik, welches sich mit den
Auswirkungen von Ladungsträgerbewegungen im Vakuum, in Gasen und in
Festkörpern befaßt und sie in Bauelementen und Schaltungen für praktische
Anwendungen nutzbar macht. Der bedeu~~ndste Teil der Elektronik ist die
Halbleiterelektronik. Insbesondere mit der Ubertragung und Verarbeitung von
Daten und Nachrichten durchdringt sie viele unserer Lebensbereiche. Sie basiert
auf halbleitenden Materialien, also auf solchen, deren spezifischer Widerstand
zwischen denen guter Leiter und guter Isolatoren liegt.
Supraleiter haben einen elektrischen Gleichstromwiderstand, der unmeßbar klein
ist. Dieser Effekt tritt bei Temperaturen auf, die kleiner als die sogenannte
Sprungtemperatur sind. Die Supraleiter-Elektronik ist nun das TeilgebIet der
Elektronik, welches sich mit den Ladungsträgerbewegungen in Supraleitern und
zwischen Supraleitern befaßt. Im engeren Sinne versteht man unter Supraleiter
Elektronik die Elektronik, die sich mit den nachrichtentechnischen oder schwach
stromtechnischen Anwendungen der Supraleitung befaßt und nicht so sehr mit
ihren energietechnischen und Hochmagnetfeld-Anwendungen.
Was bietet uns nun die Supraleiter-Elektronik Neues oder Besseres als die so
vielfach bewährte Halbleiterelektronik? Zunächst einmal entfallen mit dem ver
schwindenden elektrischen Widerstand auch die parasitären Leistungsverluste,
die in den Bahnwiderständen und Zuleitungen von Halbleiter-Bauelementen
auftreten. Deshalb liegen die Frequenzgrenzen der Supraleiter-Bauelemente ganz
ungewöhnlich hoch. Und wenn sie als Sensoren betrieben werden, kann ihre
Nachweisgrenze so tief liegen, wie es die Heisenbergsche Unschärferelation nur
zuläßt.
Darüber hinaus kann die Supraleiter-Elektronik spezielle Effekte ausnutzen, die
bei Halbleitern nicht auftreten. Es sind dies vor allem der Gleichstrom- und
der Wechselstrom-Josephson-Effekt. Sie gehören zu den im Makroskopischen
be obacht baren Quanteneffekten. Die in ihrem Ansprechvermögen unübertroffe
nen SQUID-Magnetfeldsensoren basieren in ihrer Wirkung auf dem Gleichstrom
Josephson-Effekt. Bei ihnen wird die Quantisierung des magnetischen Flusses
makroskopisch beobachtbar und technisch ausnutzbar. Beim Wechselstrom
Josephson-Effekt wird die Quantisierung elektromagnetischer Feldenergien in
Form von Photonen makroskopisch beobachtbar. Dieser Effekt wird in hoch
präzisen Gleichspannungsnormalen technisch genutzt.
2
Daß in Supraleitern der elektrische Widerstand verschwindet, gilt streng genom
men nur für Gleichstrom. In einem weiten Frequenz bereich ist der Wider
stand jedoch immer noch um viele Größenordnungen kleiner als der von guten
Normalleitern, auch dann, wenn diese sich ebenfalls bei tiefen Temperaturen
befinden. Die obere Frequenzgrenze für den extrem kleinen Wechselstromwider
stand von Supraleitern ergibt sich aus der Vorstellung, daß es im Bereich der Su
praleitung für jeweils zwei Elektronen energetisch günstig und damit wahrschein
lich ist, daß sie sich zu einem festkorrelierten Paar, einem Cooper-Paar, zusam
mentun. Die Elektronen werden erst dann wieder normalleitend, wenn genügend
Energie zugeführt wird, um die Cooper-Paare aufzubrechen. Diese Energie 2.6.
kann einem Wechselstrom entnommen werden, wenn seine Frequenz so hoch ist,
daß die Photonenenergie hf die Energie 2.6. erreicht oder überschreitet. Erst
oberhalb der hieraus folgenden Frequenzgrenze 2.6./ h verhält sich der Supralei
ter wie ein Normalleiter. Bei Temperaturen, die deutlich unter der Sprungtem
peratur liegen, beträgt diese Grenzfrequenz beispielsweise für Pb etwa 650 GHz
und für YBa2Cu307 etwa 7 THz. Dies sind also materialabhängige obere Fre
quenzgrenzen, bis zu denen in supraleitenden Elektroden und Zuleitungen elek
tronischer Bauelemente nur äußerst kleine Leistungsverluste auftreten.
Obere Frequenzgrenzen in der Größenordnung von .6./ h treten aber auch für die
Funktionsmechanismen supraleitender Bauelemente auf, die auf dem quanten
mechanischen Tunneln von Einzelelektronen bzw. Cooper-Paaren beruhen. Wir
werden sehen, daß für das Tunneln von Einzelelektronen der SIS-Mischer ein
Beispiel ist.
Der mit dem Tunneln von Cooper-Paaren verknüpfte Strom wird für solche
Josephson-Elemente, die für empfindliche Hochfrequenzempfänger benutzt wer
den, zu hohen Frequenzen hin immer kleiner. Bei einer charakteristischen Fre
quenz wird er gleich dem Strom der auch noch vorhandenen normalleitenden
Elektronen, der parallel zum Cooper-Paarstrom fließt. Bei Frequenzen, die weit
oberhalb dieser charakteristischen Frequenz liegen, ist der Cooper-Paarstrom
viel kleiner als der resistive Strom. Die speziellen Eigenschaften des Josephson
Elementes sind dann verschwunden. Für hochwertige Josephson-Elemente liegt
diese charakteristische Frequenz ebenfalls in der Größenordnung von .6./ h.
Die oberen Frequenzgrenzen supraleitender elektronischer Bauelemente liegen
damit schon weit außerhalb des Mikrowellenbereiches, mit dem man normaler
weise die Frequenzen zwischen 300 MHz und 300 G Hz, entsprechend Wellenlän
gen von 1 m bis 1 mm, bezeichnet. Die meisten hochfrequenztechnischen Anwen
dungen von Josephson-Elementen gibt es bislang jedoch im Bereich der Mikro
wellen. Die Möglichkeit für den Einsatz bei höheren Frequenzen ist jedoch durch
aus gegeben. Dies gilt in ganz ausgeprägter Weise, wenn Materialien mit hoher
Energielücke 2.6. verwendet werden.
Wie wir sehen werden, begrenzt die Energielücke 2.6. auch die maximale Gleich
spannung, die in Präzisions-Gleichspannungsnormalen pro Josephson-Element