第13节 超导器件 (修订中)
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超导器件虽然没有广泛使用，但具有一些标准半导体器件所不具备的独特特性。在电信号放大、磁场检测和光检测方面的高灵敏度是有价值的应用。高速切换也是可能的，但目前还没有应用于计算机。传统的超导器件必须冷却到 0 开尔文 (-273 o C)的几度以内。不过，目前正在研究基于_高温超导体_的设备，可在 90 K 及以下使用。这很重要，因为可以使用廉价的液氮进行冷却。
# 1. 超导器件
# 1.1. 超导
超导性： Heike Onnes 于 1911 年发现了汞 (Hg) 中的_超导性_，并因此获得了诺贝尔奖。大多数金属会随着温度的降低而降低电阻。但是，当接近 0 开尔文时，大多数电阻不会降低到零电阻。汞的独特之处在于它的电阻在 4.2 K 时突然下降到零。超导体在冷却到其_临界温度以下时会突然失去所有电阻，T_ c超导的特性是导体中没有功率损失。电流可以在超导线环中流动数千年。超导体包括铅 (Pb)、铝 (Al)、锡 (Sn) 和铌 (Nb)。
# 1.2. 库珀对
__库珀对：__超导体中的无损传导不是通过普通的电子流动。正常导体中的电子流动会遇到与刚性离子金属晶格碰撞的阻力。随着温度的降低，晶格的振动减少导致 电阻 (opens new window)降低——在一定程度上。晶格振动在绝对零处停止，但电子与晶格的能量耗散碰撞不会停止。因此，正常导体不会在绝对零处失去所有电阻。
超导体中的电子形成一对称为_铜对_的电子，因为温度下降到超导开始的临界温度以下。库珀对的存在是因为它的能级低于未成对的电子。_由于声子_的交换，电子相互吸引，与振动有关的能量非常低的粒子。这个库珀对，量子力学实体（粒子或波）不受正常物理定律的约束。该实体通过晶格传播而不会遇到构成固定晶格的金属离子。因此，它不会消耗任何能量。库珀对的量子力学性质只允许它交换离散量的能量，而不是连续可变的量。库珀对可以接受绝对最小的能量量子。如果晶格的振动能量较小，（由于温度低），铜对不能接受，不能被晶格散射。因此，在临界温度下，铜对畅通无阻地流过晶格。
# 1.3. 约瑟夫森结和晶体管
__约瑟夫森路口：___布赖恩约瑟夫森_因 1962 年对约瑟夫森路口的预测而获得诺贝尔奖。约瑟夫森结是一对由薄绝缘体桥接的超导体，如下图 (a) 所示，电子可以通过这些超导体隧穿。第一个约瑟夫森结是由绝缘体桥接的铅超导体。这些天来，铝和铌的三层是优选的。即使在超导体上施加零电压，电子也可以穿过绝缘体。
如果在结上施加电压，则电流会减小并以与电压成比例的高频振荡。施加的电压和频率之间的关系是如此精确，以至于标准伏特现在根据约瑟夫森结振荡频率来定义。约瑟夫森结也可以用作低水平磁场的超灵敏探测器。它对从微波到伽马射线的电磁辐射 (opens new window)也非常敏感 。
(a) 约瑟夫森结，(b) 约瑟夫森晶体管。
__约瑟夫森晶体管：__靠近约瑟夫森结氧化物的电极可以通过电容耦合影响结。上图（b）中的这种组件是约瑟夫森晶体管。约瑟夫森晶体管的一个主要特点是低功耗，适用于高密度电路，例如计算机。这种晶体管通常是更复杂的超导器件（如 SQUID 或 RSFQ）的一部分。
# 1.4. 超导量子干涉装置 (SQUID)
__SQUID：__超导_量子干涉装置_或_SQUID_是超导环内约瑟夫森结的集合。本讨论仅考虑 DC SQUID。该设备对低水平磁场高度敏感。
一个恒定的电流偏置被强制通过与下图中的两个约瑟夫森结并联的环。在没有施加磁场的情况下，电流在两个结之间平均分配，并且在环上没有产生电压。[JBc] 虽然任何值的磁通量 (Φ) 都可以应用于 SQUID，但只有量化值（通量量子的倍数）可以流过超导环中的开口。[JBa] 如果施加的通量不是通量量子的精确倍数，多余的通量被环周围的循环电流抵消，从而产生分数通量量子。循环电流将沿那个方向流动，该方向抵消了超过通量量子倍数的任何多余通量。它可以增加或减少施加的通量，最多为 ±(1/2) 通量量子。如果循环电流顺时针流动，则电流会添加到顶部约瑟夫森结并从较低的约瑟夫森结中减去。以线性方式改变施加的通量会导致循环电流以正弦曲线变化。[JBb] 这可以作为 SQUID 两端的电压来测量。随着施加的磁场增加，电压脉冲可以通过通量量子的每次增加来计数。[HYP]
超导量子干涉装置 (SQUID)：超导环内的约瑟夫森结对。通量的变化会在 JJ 对上产生电压变化。
据说一只 SQUID 对 10 -14特斯拉敏感，它可以在 10 -13特斯拉检测大脑中神经电流的磁场。将此与地球磁场的 30 x 10 -6特斯拉强度进行比较。
# 1.5. 快速单通量量子 (RSFQ)
快速单通量量子 (RSFQ)： RSFQ 电路不是模仿硅半导体电路，而是依赖于新概念：超导体内的磁通量量子化和通量量子的运动产生皮秒量子化电压脉冲。磁通量只能存在于以离散倍数量化的超导体部分中。采用允许的最低通量量子。脉冲由约瑟夫森结而不是传统晶体管切换。超导体基于三层铝和铌，临界温度为 9.5 K，冷却至 5 K。
RSQF 的工作频率超过 100 GHz，功耗极低。使用现有的光刻技术制造很简单。但是，操作需要低至 5 K 的制冷。现实世界的商业应用包括模数和数模转换器、触发器、移位寄存器、存储器、加法器和乘法器。[DKB]
# 1.6. 高温超导体
高温超导体： 高温超导体_是在高于 77 K 的液氮沸点时表现出超导性的化合物。这很重要，因为液氮很容易获得且价格低廉。大多数传统的超导体是金属。广泛使用的高温超导体是_铜酸盐，铜 (Cu) 的混合氧化物，例如 YBa 2 Cu 3 O 7- [OXFD] 本节中描述的大多数设备都是在高温超导体版本中开发的，用于不太关键的应用。虽然它们不具备传统金属超导器件的性能，但液氮冷却更可用。
# 2. 总结
- 大多数金属在接近绝对零时会降低电阻；但是，电阻不会下降到 0。超导体在冷却时的临界温度下会经历快速下降到零的电阻。通常，T c在绝对零的 10 K 范围内。
- 库珀对，电子对，一种量子力学实体，在金属晶格中畅通无阻地移动。
- 电子能够穿过约瑟夫森结，这是一对超导体之间的绝缘间隙。
- 在结附近添加第三个电极或栅极构成约瑟夫森晶体管。
- SQUID，即超导量子干涉装置，是一种高度灵敏的磁场探测器。它计算超导环内磁场的量子单位。
- RSFQ，快速单通量量子是一种基于切换超导回路中存在的磁量子的高速开关装置。
- Tc高于液氮沸点的高温超导体也可用于制造本节中的超导器件。
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