Chapter07_13360658

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Unformatted text preview: 1 1 第七章 超导电子学 2 超导电子学 超导电子技术曾被认为是硅电子技术的有 力竞争对手。然而由于需要低温以及成本方 面难于和硅 CMOS 相比,一度发展迟缓。 近十多年来,随着传统的硅微电子技术极 限的临近,由于超导电子在高速方面的竞争 力,特别是高速单磁通量子逻辑电路的开 发,以超导量子干涉器件( SQUID )为基础 的超导量子电子学又备受关注。 2 3 超导量子器件利用的是宏观量子干涉效应, 所以其器件结构的尺寸并非必须是纳米级的,但 是器件的基本机理却基于纳米隧道结的量子干涉 效应。而且,器件总体尺寸发展达到纳米量级 后,在某些方面的性能可望突破传统 CMOS 的极 限。所以,可把超导量子器件列为一种新型的纳 电子器件。 4 第一节 超导体介绍 z 超导现象,是本世纪伟大的科学发现之一。 z 某些物质在低温条件下呈现电阻等于零和排 斥磁力线的性质,即是 超导电性 ,而这些物 质称为 超导体 。 3 5 超导现象的发现 1908 年,首次成功地把称为 “ 永久气体 ” 的氮液化,因而 获得 4.2K 的低温源,为超导现象的发现准备了条件。 三年后即 1911 年,荷兰物理学家昂内斯在测试纯金属电 阻率的低温特性时,发现汞的直流电阻在 4.2K 时突然消失, 多次精密测量表明,汞柱两端压降为零,他认为这时汞进入 了一种以零阻值为特征的新物态,并称为 “ 超导态 ” 。 昂内斯在 1911 年 12 月 28 日宣布了这一发现。但此时他还 没有看出这一现象的普遍意义,仅仅当成是有关水银的特殊 现象。 现在已发现 32 种元素、几千种合金和化合物是超导体。 6 4 7 超导体的性质和临界参数 z 零电阻 将超导体冷却到某 一临界温度以下时 电阻突然降为零的 现象称为超导体的 零电阻 现象。 8 z 完全抗磁性 1933 年,德国物理学家沃尔特- 迈斯纳等发现了超 导体的抗磁性,成为了超导研究的里程碑。 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后, 只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度,超 导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外, 在 超导体内永远保持磁感应强度为零 。超导体的这种特 殊性质被称为 “ 迈斯纳效应 ” 。 5 9 三个临界参数 z 临界温度 ( T C )-- 超导体必须 冷却至某一临界温度以下才能 保持其超导性,也称作 居里温 度 。 z 临界电流密度 ( J C )-- 通过超 导体的电流密度必须小于某一 临界电流密度才能保持超导体 的超导性。 z 临界磁场 ( H C )-- 施加给超导 体的磁场必须小于某一临界磁 场才能保持超导体的超导性。 10 第 I , II 类超导体 z 第 I 类超导体 第 I 类超导体主要包括一些在常温下具有 良好导电性的...
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