Криогенная электроника — работа электронных устройств, цепей и систем при криогенных температурах — была ценной технологией на протяжении десятилетий. Криогенная электроника (также называемая низкотемпературной электроникой или холодной электроникой) может быть основана на полупроводниковых устройствах, на сверхпроводящих устройствах или на их комбинации; однако в этом обзоре основное внимание уделяется криогенной электронике на основе полупроводников.
Можно сказать, что криогенная электроника началась еще в 1951 году (до Джозефсоновского перехода), когда исследователи исследовали работу усилителя с вакуумной трубкой до ~ 14 К в качестве средства усиления слабых сигналов перед отправкой их до комнатной температуры, чтобы уменьшить влияние помех.
Исследование и применение полупроводниковых приборов (диодов и транзисторов) при низких температурах велось в 1960–1970-х годах. В 1983 году в Лаборатории реактивного движения была проведена первая конференция по низкотемпературной электронике. В том же году на научном спутнике использовались транзисторные пред-усилители, работающие при криогенной температуре. С тех пор использование криогенной полупроводниковой электроники распространилось на многие области, основанные на интегральных схемах и транзисторах.
Криогенная электроника на основе полупроводников может быть такой же простой, как схема, использующая один транзистор (или диод), или сложной, как система, включающая сотни больших интегральных схем. Он включает в себя как аналоговые, так и цифровые системы, охватывает частотный спектр от постоянного тока до 100 с ГГц и имеет диапазон мощности от микроватт до сотен ватт. Типы транзисторов включают как биполярные, так и полевые с использованием полупроводниковых материалов Si, Ge, GaAs, SiGe и III-V. Криогенные электронные схемы используются не только в лабораторных условиях, но сотни из них используются «в полевых условиях» в практических применениях, и несколько типов коммерчески доступны.
Существует две широкие причины для работы электроники при криогенных температурах: (1) для улучшения производительности электроники (меньший шум, более высокая скорость, повышенная эффективность и т. Д.) И (2), потому что электроника необходима для поддержки датчика, исполнительного механизма или другой аппарат, находящийся в криогенной среде. Некоторые приложения могут сочетать обе причины (1) и (2).
Связанные преимущества криогенной работы могут включать в себя улучшенную тепловую и электрическую проводимость, более низкую рабочую мощность, уменьшение паразитных потерь, уменьшение химической и металлургической деградации и повышение общей надежности.
Прошлые и настоящие примеры прикладной криогенной электроники:
• Обработка плат компьютеров, охлажденных для увеличения скорости. В 1980-х годах ETA Corp. Создала полдюжины суперкомпьютеров со своими центральными процессорами, включающими около 240 очень крупных интегральных схем, погруженных в жидкий азот.
• Микроволновые и миллиметровые приемники, охлажденные до глубоких криогенных температур для радиоастрономии, например, NRAO (Национальная радиоастрономическая обсерватория), и для связи в дальнем космосе с помощью НАСА — охлаждение улучшает отношение сигнал-шум.
• Пред-усилители для базовых станций сотовых телефонов, охлаждаемые для улучшения отношения сигнал / шум, часто используемые в сочетании со сверхпроводящими фильтрами.
• Пред-усилители и схемы считывания на научных космических кораблях и военных спутниках наблюдения, работающие при таких низких температурах, как жидкий гелий, совмещенные с криогенными инфракрасными, видимыми и рентгеновскими детекторами для лучшей обработки их сигналов.
• Микросхемы памяти, соединенные с биологическими клетками, хранящимися при криогенных температурах, для лучшего отслеживания и применения клеток.
• Предварительные усилители для охлаждаемых приемников ядерного магнитного резонанса, расположенные в одном месте для более высокой чувствительности и более быстрого сбора данных.
• Пред-усилители для детекторов холодных частиц, используемые в фундаментальных физических экспериментах, совмещенные для лучшего соотношения сигнал / шум.
• Криогенные приемники гравитационных волн, использующие совмещенные пред-усилители для улучшения отношения сигнал-шум.
Возможные будущие применения:
• Ряд электронных систем на космических кораблях и надводных кораблях в холодных средах, таких как на Луне, Марсе и других холодных телах Солнечной системы.
• Силовые цепи, связанные с движительными системами космических аппаратов.
• Цепи преобразования энергии, связанные с генерацией, управлением и распределением криогенной или сверхпроводящей энергии.
• Цепи преобразования мощности для наземных транспортных средств или судов, которые используют криогенное топливо (например, жидкий водород) или криогенные двигатели.
• Системы обработки сигналов для приборостроения в криогенных аэродинамических трубах.
Электронные устройства и схемы могут работать или не работать при охлаждении до криогенных температур, в зависимости от их конструкции и материалов. Обычные, коммерческие устройства иногда используются, другие устройства разработаны специально для криогенной работы. Правильно спроектированные устройства и схемы могут работать во всем диапазоне от комнатной температуры до температур жидкого гелия
