超導隧道器件

理論來源

1962年英國B.D.約瑟夫遜從理論上證明，當兩塊超導體之間存在弱耦合構成結時，庫柏電子對可以穿越其間的勢壘層而形成隧道電流。因而，通過結區可以流過一定的直流電流，而器件兩端的電壓降為零；若電流超過某一臨界值（通常在10-3～10-6安的範圍內）,則器件兩端呈現一定的電壓降υ，流經結區的電流是高頻振盪的形式，頻率為2eυ/h(式中e為電子電荷，h為普朗克常數)。1963年上述結論為實驗證實。這種現象稱為約瑟夫遜效應，或電子對隧道效應。

超導隧道器件

若結區兩端的電壓超過超導體能隙所對應的值，則電場能量足以拆散庫柏電子對而形成準粒子。準粒子藉助隧道效應通過勢壘層的現象稱為準粒子隧道效應。習慣上把電子對隧道效應和準粒子隧道效應合稱超導隧道效應。利用這種原理製成的器件稱為超導隧道器件，有時也稱約瑟夫遜器件或約瑟夫遜結。上述器件按物理結構的不同，又可細分為隧道結、微橋結、點接解結等。

發現過程

1962年正在英國劍橋大學攻讀物理博士學位的約瑟夫森發現，在兩塊厚度只有十分之幾微米的鉛或其他合金做成的超導體薄膜之間，夾一層厚度只有約10埃的絕緣介質層，組成一種類似“三明治”結構，即“超導體——絕緣體——超導體”的結構。當此超導薄膜兩邊加上電壓時，電子便像通過隧道一樣毫無阻擋地從絕緣介質穿過，形成很小電流，絕緣介質兩端沒有電壓。這種現象稱為超導隧道現象。它揭示了超導體內的電子對穿過絕緣層的“隧道”時所顯示出來的一系列電學、磁學、輻射方面的特性，預示了超導材料用於生產實際的可能性，為此，當時年僅21歲的約瑟夫森於1973年獲得了諾貝爾獎，並將超導隧道效應名命為約瑟夫森效應。以約瑟夫森效應為基礎製成了超導開關器件和超導存儲器這兩種計算機中最基本的器件。這兩種器件又稱約瑟夫森器件。

超導隧道器件

器件特點

這種器件具有如下特點：①開關速度快。目前已達幾微微秒，比高速矽積體電路快幾百倍。②功耗非常小。僅為矽積體電路的幾百分之一。有人預測，過去需要10千瓦功率的大中型計算機，如用約瑟夫森器件製成的超導計算機，則只需1節乾電池。③功耗小，散發熱量少，集成度高。④器件結構基本上和現行大規模積體電路相同。因此，超導計算機的性能是目前計算機所無法比擬的。事實上，近十幾年來，人們一直為實現超導計算機而努力奮鬥，製造了具有獨特優點的各種器件。

超導隧道器件

器件實例

例如，美國於1976年曾觀察到單一約瑟夫森器件的開關速度為29微微秒；1978年在第25屆國際固體電路會議上報告稱：一種實驗性超導開關邏輯電路，開關速度為42微微秒；1983年11月日本卻獲得開關速度為5.6微微秒。儘管目前進展很快，但與研製成超導計算機還有相當距離。其主要原因是：各類約瑟夫森器件相連結是個難題；超導計算機要有超低溫環境，這就需要附加一整套超低溫設備；超導計算機如何與輸入、輸出等外部設備相接等問題都有待解決。所以，有人把超導計算機稱為“夢幻式計算機”，可見製造超導計算機相當困難。