低溫電子學

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應用的科學。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雜訊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、低溫微波雜訊源和低溫場效應放大器等低雜訊前端，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、器件的應用；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錶。

應用 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，有源器件的雜訊減弱，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、低溫微波雜訊源標準、低溫場效應晶體管放大器、低溫混頻器等低溫電子裝置，已廣泛應用於低雜訊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，利用電磁振蕩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，其雜訊主要取決於離子能級躍遷過程中所產生的量子雜訊，工作頻率只決定於順磁離子的能級分裂，而不受分佈參數的限制，因而它可工作到短毫米波。這種放大器是雜訊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帶寬窄的缺點。

低溫參量放大器 在低溫下，利用諧振信號電路中電容或電感周期性的非線性變化實現放大。參量放大器的理想電路僅含電抗元件，不存在有源熱雜訊，是一種低雜訊放大器。它的雜訊主要來自電路中不可避免的串聯電阻的熱雜訊和連接線路的損耗。參量放大器的等效雜訊溫度取決於二極體參量、採用的電路形式和冷卻溫度。低溫參量放大器的雜訊幾乎正比於冷卻溫度。這种放大器具有雜訊低、非線性小、穩定度高和動態範圍大的良好性能。與量子放大器相比，它的結構簡單，對製冷要求較低。因此，它在衛星地球站、射電天文和遠程雷達等高靈敏接收系統中得到廣泛的應用。

低溫微波雜訊標準 是在一定帶寬內輸出標準雜訊功率並用絕對溫度來量度雜訊溫度的一種電子儀器。低溫微波雜訊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雜訊精密測試，還可用於輻射計定標、衰減測定和天線雜訊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)超低雜訊溫度的測量需要，已研製出低於室溫的各種低溫負載標準雜訊源，其輸出雜訊溫度接近於冰水、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，場效應晶體管材料中載流子的遷移率增大，從而使放大器的增益提高，雜訊降低。現代低溫場效應放大器，在L波段和致冷溫度在 78K、15K時，其雜訊溫度分別為22K和12K；在S波段，在上述同樣致冷溫度情況下雜訊為30K和50K；在X波段，致冷溫度在15K時，雜訊≤100K；18吉赫時，在液氮溫度冷卻下，雜訊為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，已被用於微波低雜訊接收機的前端和毫米波致冷混頻器的後置中頻放大。這种放大器的雜訊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製冷機致冷。

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雜訊前置放大器，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雜訊係數為3.2分貝，比室溫時的雜訊降低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后，響應時間縮短、靈敏度提高、響應波長展寬、受限背景雜訊減小。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製冷機來冷卻，如鍺摻汞、俠鎘汞等紅外探測器材料。

低溫激光器 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。大多數激光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，即可減小激光器的激勵功率。隨著微小型致冷裝置的日益完善，激光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，應用受到限制。

②　G-M循環製冷機：由壓縮機和膨脹機及其附屬裝置組成（圖3）。壓縮機壓縮來自膨脹機的低壓氣體，提供一定壓力的純凈工作物質氦氣。膨脹機使高壓氣體在其內部膨脹而致冷。

③　斯特林循環製冷機：斯特林循環由二個等容、二個等溫組成的閉式循環。它有單級、雙級二種。它是冷卻電子器件的微型製冷機之一。它效率高、體積小、重量輕、操作簡單、使用低溫溫區和冷量範圍大。

④　VM製冷機：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（如鈈 238）、太陽能等。這種製冷機是回熱式製冷機的變種，又叫熱泵製冷機（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應用。

⑤　熱電製冷器：又稱半導體製冷器。它利用半導體的帕耳帖效應，即兩種不同金屬或半導體組成閉合迴路時，通以直流電，引起材料兩接點一個變冷一個變熱的現象，組成多級的半導體PN結熱電製冷器，通常用於紅外和低溫電子技術（圖5）。它具有體積小、重量輕等優點。但製冷溫度不能達到很低的程度。

⑥　輻射製冷器：主要是利用一部分宇宙空間的高真空（10-18帕）和星際的有效低溫太空接受 3～4K的低溫源，輻射製冷器(圖6)是一種不需要任何熱源和機械製冷功的被動式製冷器，其優點是不需要傳動部件和冷卻劑，且重量輕、工作壽命長。這類製冷器已用於氣象衛星冷卻電子元件、器件。

⑦　節流製冷器：利用等焓膨脹的節流效應製冷。它是降溫的常用方法，即高壓氣體通過一個小孔降壓而變冷，這個過程在節流閥中完成。這種製冷器有單級和雙級二種。氣體經不同節流后達到不同的製冷溫度。例如，用液氮預冷、氖節流的雙組製冷機可達到30K,可與鍺摻汞元件配合，用於紅外探測器中。節流製冷器是現代最成熟的製冷裝置之一，其優點是結構和工藝簡單、易於製造、重量輕、體積小、無運動部件、雜訊小和使用方便等，缺點是效率較低、工作壓力高，對氣體純度要求高，一般雜質不超過0.01％（節流孔視冷量而定，其大小一般為幾微米至十幾微米，易發生凍結阻塞）。

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錶進行顯示。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凈真空的真空泵。低溫泵有貯槽式低溫泵、蒸髮式低溫泵和製冷機低溫泵等，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應用，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。