什么是低温电子学?

什么是低温电子学?

[拼音]：diwen dianzixue

[外文]：cryoelectronics

研究从 77K到绝对零度深冷范围内材料与半导体器件的电特性及其应用的科学。广义的低温电子学包括超导电子学。1962年，约瑟夫逊效应的发现赋予低温电子学以全新的重要内容。此后，低温电子学的主要内容就是超导电子学。但是，由于历史上的习惯，对于超导电子学以外低温条件下的电子学内容，仍称为低温电子学。

学科内容

低温电子学以导体动态电阻的热噪声在深冷温度下可大大降低为基础，其主要研究内容有以下四个方面：

（1）研制从米波到红外波段的电磁辐射仪器中各类量子放大器、低温参量放大器、低温微波噪声源和低温场效应放大器等低噪声前端，以及各种低温仪器和电子装置；

（2）研究低温条件下的材料、元件、器件的特性，特别是高频特性；

（3）研究低温条件下纯金属、合金、介质、绝缘材料和半导体元件、器件的应用；

（4）研制低温电子学和超导电子学所需的各类低温装置和低温测试仪表。

应用

随着环境温度降低，金属电阻率变小，介质和各类元件的损耗降低，有源器件的噪声减弱，这是低温电子学的物理基础。50年代末期以来，量子放大器、低温参量放大器、低温微波噪声源标准、低温场效应晶体管放大器、低温混频器等低温电子装置，已广泛应用于低噪声接收和精密测量技术中。

量子放大器

利用某些顺磁晶体的顺磁共振原理和物质内部离子的能态跃迁现象，实现微波放大的装置，又称脉泽。原子或粒子在从一个能级向另一个能级的量子跃迁过程中引起受激辐射现象，利用电磁振荡器实现顺磁晶体与可放大信号和激励源的电磁场的相互作用，把粒子（原子和分子）所具有的能量不断转换为超高频电磁场的能量。量子放大器（图1）工作在4.2K或更低的环境温度中，其噪声主要取决于离子能级跃迁过程中所产生的量子噪声，工作频率只决定于顺磁离子的能级分裂，而不受分布参数的限制，因而它可工作到短毫米波。这种放大器是噪声最低的一种微波放大器，而且工作稳定、线性度好。新型的反射式行波量子放大器已能克服量子放大器带宽窄的缺点。

低温参量放大器

在低温下，利用谐振信号电路中电容或电感周期性的非线性变化实现放大。参量放大器的理想电路仅含电抗元件，不存在有源热噪声，是一种低噪声放大器。它的噪声主要来自电路中不可避免的串联电阻的热噪声和连接线路的损耗。参量放大器的等效噪声温度取决于二极管参量、采用的电路形式和冷却温度。低温参量放大器的噪声几乎正比于冷却温度。这种放大器具有噪声低、非线性小、稳定度高和动态范围大的良好性能。与量子放大器相比，它的结构简单，对制冷要求较低。因此，它在卫星地球站、射电天文和远程雷达等高灵敏接收系统中得到广泛的应用。

低温微波噪声标准

是在一定带宽内输出标准噪声功率并用绝对温度来量度噪声温度的一种电子仪器。低温微波噪声标准主要用于卫星通信、现代射电天文、电子对抗、雷达前端的参量放大、场效应放大器和超导约瑟夫逊接收装置的低噪声精密测试，还可用于辐射计定标、衰减测定和天线噪声温度和低电平等幅波信号电平校准。为适应几百度到几度 (K)超低噪声温度的测量需要，已研制出低于室温的各种低温负载标准噪声源，其输出噪声温度接近于冰水、液氮、液氢或液氦等低温液体的温度。

低温场效应放大器

低温下工作的场效应晶体三极管放大器。理论分析和实验结果表明，当环境温度降低时，场效应晶体管材料中载流子的迁移率增大，从而使放大器的增益提高，噪声降低。现代低温场效应放大器，在L波段和致冷温度在 78K、15K时，其噪声温度分别为22K和12K；在S波段，在上述同样致冷温度情况下噪声为30K和50K；在X波段，致冷温度在15K时，噪声≤100K；18吉赫时，在液氮温度冷却下，噪声为95K。低温场效应放大器工作频带很宽，可达一个倍频程，通常只要求77K致冷，要求的致冷量也比较小，因而制作容易，结构简单、体积小，已被用于微波低噪声接收机的前端和毫米波致冷混频器的后置中频放大。这种放大器的噪声特性比常温参量放大器好，在10吉赫以下时甚至以低温参量放大器还好。但在10吉赫以上时低温场效应放大器不及低温参量放大器。低温场效应放大器通常用液氮杜瓦容器或15K左右的闭合循环微型制冷机致冷。

低温混频器

当工作频率高到 100吉赫时一般采用低温混频器或超导混频器作为低噪声前置放大器，并用量子放大器作为下一级放大。例如，一个80吉赫液氮砷化镓肖特基二极管混频器的噪声系数为3.2分贝，比室温时的噪声降低2.6分贝。

低温红外探测器

红外探测器对周围环境的热辐射敏感。这种探测器经低温冷却后，响应时间缩短、灵敏度提高、响应波长展宽、受限背景噪声减小。常用的红外探测器大多只需要77K温度，而且多使用开放的液氮传输式制冷器或焦耳－汤姆逊节流制冷器。在远红外波段，为提高探测率和灵敏度，通常还须用液氖温区30K左右的低温恒温容器和斯特林制冷机来冷却，如锗掺汞、俠镉汞等红外探测器材料。

低温激光器

它的工作基于物质内部粒子在不同能级间跃迁的物理现象。大多数激光器在很低温度下工作时可呈现出更好的性能。但在较高温度下自由电子的光子吸收会使损耗增大。冷却到低温则可减小其阈值，即可减小激光器的激励功率。随着微小型致冷装置的日益完善，激光装置有可能使用低温（77K或更低）制冷装置。

低温制冷装置

常用的低温制冷装置有贮液式制冷器、G－M循环制冷器、斯特林循环制冷器、VM制冷器等多种。

（1）贮液式制冷器:将贮存低温液体的容器绝热，使需要冷却的电子元件、器件与这种液体直接或间接地接触。电子元件、器件引入的热量(或本身原有的热量)为液体蒸发所吸收，电子元件、器件即被冷却。这种制冷器可分为整体容器式和液体传输式两类。在整体容器式制冷器中，电子元件、器件直接装在低温液体的贮存容器内。液体传输式制冷系统包括低温液体存放容器、液体传输管路、冷头和必要的控制系统，靠重力或气体压力传输液体（图2）。这种制冷器使用时间不长就需要添加低温液体，应用受到限制。

（2）G-M循环制冷机:由压缩机和膨胀机及其附属装置组成（图3）。压缩机压缩来自膨胀机的低压气体，提供一定压力的纯净工作物质氦气。膨胀机使高压气体在其内部膨胀而致冷。

（3）斯特林循环制冷机：斯特林循环由二个等容、二个等温组成的闭式循环。它有单级、双级二种。它是冷却电子器件的微型制冷机之一。它效率高、体积小、重量轻、 *** 作简单、使用低温温区和冷量范围大。

（4）VM制冷机：完全或主要靠热能进行工作，可直接由热量产生冷量。凡能使热腔保持足够高的温度和提供足够热的能源都可利用，如电能、化学燃烧能、放射性同位素（如钚 238）、太阳能等。这种制冷机是回热式制冷机的变种，又叫热泵制冷机（图4）。有时，只使用很少的电能用于克服活塞与汽缸之间的摩擦力。它振动小、不易损坏、寿命长、重量轻和体积小，适于野外和航空使用，尤其适于在航天技术中应用。

（5）热电制冷器：又称半导体制冷器。它利用半导体的帕耳帖效应，即两种不同金属或半导体组成闭合回路时，通以直流电，引起材料两接点一个变冷一个变热的现象，组成多级的半导体PN结热电制冷器，通常用于红外和低温电子技术（图5）。它具有体积小、重量轻等优点。但制冷温度不能达到很低的程度。

（6）辐射制冷器：主要是利用一部分宇宙空间的高真空（10-18帕）和星际的有效低温太空接受 3～4K的低温源，辐射制冷器(图6)是一种不需要任何热源和机械制冷功的被动式制冷器，其优点是不需要传动部件和冷却剂，且重量轻、工作寿命长。这类制冷器已用于气象卫星冷却电子元件、器件。

（7）节流制冷器：利用等焓膨胀的节流效应制冷。它是降温的常用方法，即高压气体通过一个小孔降压而变冷，这个过程在节流阀中完成。这种制冷器有单级和双级二种。气体经不同节流后达到不同的制冷温度。例如，用液氮预冷、氖节流的双组制冷机可达到30K，可与锗掺汞元件配合，用于红外探测器中。节流制冷器是现代最成熟的制冷装置之一，其优点是结构和工艺简单、易于制造、重量轻、体积小、无运动部件、噪声小和使用方便等，缺点是效率较低、工作压力高，对气体纯度要求高，一般杂质不超过0.01％（节流孔视冷量而定，其大小一般为几微米至十几微米，易发生冻结阻塞）。

（8）低温温度计：半导体锗温度计在低温下电阻随温度的降低而迅速增加，因而灵敏度较高、重复性好和使用方便。它已成为低温超导领域的重要测量元件，可用于低温设备、空间装置、超导装置和卫星通信地球站等设备上的低温温度测量，可以配用指示记录和数字仪表进行显示。此外，砷化镓二极管广泛用于1～400K的温度测量。掺锌和掺锰的砷化镓电阻温度计测温的相对灵敏度比砷化镓二级管温度计大约高10倍到 100倍。低温温度计还有铂电阻温度计、碳电阻温度计、铑铁电阻温度计，以及其他低温热电偶和低温传感器等。

（9）低温泵：利用温度极低的表面，使被抽气体冷凝而获得超高洁净真空的真空泵。低温泵有贮槽式低温泵、蒸发式低温泵和制冷机低温泵等，抽速均在1～104/米3秒之间。低温泵能大大提高真空度(低于10-11帕)。上百万升／秒的高抽速的超高真空或极高真空设备也已经研制成功。

低温抽气在镀膜设备中获得广泛应用，它在大规模集成、超大规模集成与超导集成工艺中尤其重要，因为高质量的真空镀膜常常要求在没有杂质和原子污染的条件下进行，特别是生产磁膜、超导膜和其他特殊电子元件、器件时需要消除氧和碳氢化合物之类的污染。另外，材料在真空中释放出大量的氢，也需要对氢有很高的抽速。