低溫電子學
正文
研究從 77K到絕對零度深冷範圍內材料與半導體器件的電特性及其套用的科學。廣義的低溫電子學包括超導電子學。1962年，約瑟夫遜效應的發現賦予低溫電子學以全新的重要內容。此後，低溫電子學的主要內容就是超導電子學。但是，由於歷史上的習慣，對於超導電子學以外低溫條件下的電子學內容，仍稱為低溫電子學。學科內容 低溫電子學以導體動態電阻的熱噪聲在深冷溫度下可大大降低為基礎，其主要研究內容有以下四個方面：①研製從米波到紅外波段的電磁輻射儀器中各類量子放大器、低溫參量放大器、低溫微波噪聲源和低溫場效應放大器等低噪聲前端，以及各種低溫儀器和電子裝置；②研究低溫條件下的材料、元件、器件的特性，特別是高頻特性；③研究低溫條件下純金屬、合金、介質、絕緣材料和半導體元件、器件的套用；④研製低溫電子學和超導電子學所需的各類低溫裝置和低溫測試儀表。
套用 隨著環境溫度降低，金屬電阻率變小，介質和各類元件的損耗降低,有源器件的噪聲減弱,這是低溫電子學的物理基礎。50年代末期以來，量子放大器、低溫參量放大器、低溫微波噪聲源標準、低溫場效應電晶體放大器、低溫混頻器等低溫電子裝置，已廣泛套用於低噪聲接收和精密測量技術中。
量子放大器 利用某些順磁晶體的順磁共振原理和物質內部離子的能態躍遷現象,實現微波放大的裝置,又稱脈澤。原子或粒子在從一個能級向另一個能級的量子躍遷過程中引起受激輻射現象，利用電磁振盪器實現順磁晶體與可放大信號和激勵源的電磁場的相互作用，把粒子（原子和分子）所具有的能量不斷轉換為超高頻電磁場的能量。量子放大器（圖1）工作在4.2K或更低的環境溫度中，其噪聲主要取決於離子能級躍遷過程中所產生的量子噪聲，工作頻率只決定於順磁離子的能級分裂,而不受分布參數的限制,因而它可工作到短毫米波。這种放大器是噪聲最低的一種微波放大器，而且工作穩定、線性度好。新型的反射式行波量子放大器已能克服量子放大器頻寬窄的缺點。
低溫電子學低溫微波噪聲標準 是在一定頻寬內輸出標準噪聲功率並用絕對溫度來量度噪聲溫度的一種電子儀器。低溫微波噪聲標準主要用於衛星通信、現代射電天文、電子對抗、雷達前端的參量放大、場效應放大器和超導約瑟夫遜接收裝置的低噪聲精密測試，還可用於輻射計定標、衰減測定和天線噪聲溫度和低電平等幅波信號電平校準。為適應幾百度到幾度 (K)超低噪聲溫度的測量需要，已研製出低於室溫的各種低溫負載標準噪聲源，其輸出噪聲溫度接近於冰水、液氮、液氫或液氦等低溫液體的溫度。
低溫場效應放大器 低溫下工作的場效應晶體三極體放大器。理論分析和實驗結果表明，當環境溫度降低時，場效應電晶體材料中載流子的遷移率增大，從而使放大器的增益提高，噪聲降低。現代低溫場效應放大器，在L波段和致冷溫度在 78K、15K時，其噪聲溫度分別為22K和12K；在S波段,在上述同樣致冷溫度情況下噪聲為30K和50K；在X波段,致冷溫度在15K時,噪聲≤100K；18吉赫時,在液氮溫度冷卻下，噪聲為95k。低溫場效應放大器工作頻帶很寬，可達一個倍頻程,通常只要求77K致冷，要求的致冷量也比較小，因而製作容易，結構簡單、體積小，已被用於微波低噪聲接收機的前端和毫米波致冷混頻器的後置中頻放大。這种放大器的噪聲特性比常溫參量放大器好，在10吉赫以下時甚至以低溫參量放大器還好。但在10吉赫以上時低溫場效應放大器不及低溫參量放大器。低溫場效應放大器通常用液氮杜瓦容器或15K左右的閉合循環微型制冷機致冷。
低溫混頻器 當工作頻率高到 100吉赫時一般採用低溫混頻器或超導混頻器作為低噪聲前置放大器，並用量子放大器作為下一級放大。例如，一個80吉赫液氮砷化鎵肖特基二極體混頻器的噪聲係數為3.2分貝,比室溫時的噪聲降低2.6分貝。
低溫紅外探測器 紅外探測器對周圍環境的熱輻射敏感。這種探測器經低溫冷卻後，回響時間縮短、靈敏度提高、回響波長展寬、受限背景噪聲減小。常用的紅外探測器大多只需要77K溫度,而且多使用開放的液氮傳輸式製冷器或焦耳－湯姆遜節流製冷器。在遠紅外波段，為提高探測率和靈敏度,通常還須用液氖溫區30K左右的低溫恆溫容器和斯特林制冷機來冷卻，如鍺摻汞、俠鎘汞等紅外探測器材料。
低溫雷射器 它的工作基於物質內部粒子在不同能級間躍遷的物理現象。大多數雷射器在很低溫度下工作時可呈現出更好的性能。但在較高溫度下自由電子的光子吸收會使損耗增大。冷卻到低溫則可減小其閾值，即可減小雷射器的激勵功率。隨著微小型致冷裝置的日益完善,雷射裝置有可能使用低溫（77K或更低）製冷裝置。
低溫製冷裝置 常用的低溫製冷裝置有貯液式製冷器、G－M循環製冷器、斯特林循環製冷器、VM製冷器等多種。
① 貯液式製冷器:將貯存低溫液體的容器絕熱,使需要冷卻的電子元件、器件與這種液體直接或間接地接觸。電子元件、器件引入的熱量(或本身原有的熱量)為液體蒸發所吸收，電子元件、器件即被冷卻。這種製冷器可分為整體容器式和液體傳輸式兩類。在整體容器式製冷器中，電子元件、器件直接裝在低溫液體的貯存容器內。液體傳輸式製冷系統包括低溫液體存放容器、液體傳輸管路、冷頭和必要的控制系統，靠重力或氣體壓力傳輸液體（圖2）。這種製冷器使用時間不長就需要添加低溫液體，套用受到限制。
低溫電子學
低溫電子學④ VM制冷機：完全或主要靠熱能進行工作，可直接由熱量產生冷量。凡能使熱腔保持足夠高的溫度和提供足夠熱的能源都可利用，如電能、化學燃燒能、放射性同位素（如鈽 238）、太陽能等。這種制冷機是回熱式制冷機的變種,又叫熱泵制冷機（圖4）。有時，只使用很少的電能用於克服活塞與汽缸之間的摩擦力。它振動小、不易損壞、壽命長、重量輕和體積小，適於野外和航空使用，尤其適於在航天技術中套用。
低溫電子學
低溫電子學
低溫電子學⑧ 低溫溫度計：半導體鍺溫度計在低溫下電阻隨溫度的降低而迅速增加，因而靈敏度較高、重複性好和使用方便。它已成為低溫超導領域的重要測量元件，可用於低溫設備、空間裝置、超導裝置和衛星通信地球站等設備上的低溫溫度測量，可以配用指示記錄和數字儀表進行顯示。此外,砷化鎵二極體廣泛用於1～400K的溫度測量。摻鋅和摻錳的砷化鎵電阻溫度計測溫的相對靈敏度比砷化鎵二級管溫度計大約高10倍到 100倍。低溫溫度計還有鉑電阻溫度計、碳電阻溫度計、銠鐵電阻溫度計，以及其他低溫熱電偶和低溫感測器等。
⑨ 低溫泵：利用溫度極低的表面，使被抽氣體冷凝而獲得超高潔淨真空的真空泵。低溫泵有貯槽式低溫泵、蒸髮式低溫泵和制冷機低溫泵等,抽速均在1～104/米3秒之間。低溫泵能大大提高真空度(低於10-11帕)。上百萬升／秒的高抽速的超高真空或極高真空設備也已經研製成功。
低溫抽氣在鍍膜設備中獲得廣泛套用，它在大規模集成、超大規模集成與超導集成工藝中尤其重要，因為高質量的真空鍍膜常常要求在沒有雜質和原子污染的條件下進行，特別是生產磁膜、超導膜和其他特殊電子元件、器件時需要消除氧和碳氫化合物之類的污染。另外，材料在真空中釋放出大量的氫，也需要對氫有很高的抽速。
