高温超导检波器.pdf

我们试制高温超导检波器，用Y-Ba-Cu-O，Eu-Ba-Cu-O等金属氧化物高温超导材料，仿照低温超导检波器的办法，在电磁辐射的不同频段中进行实验。结果表明若和低温超导检波器那样用临界电流I_c较大的高温超导检波器检波时灵敏度不够高。

本实验表明，在液氮中工作时，高温超导检波器的性质和经典的低温检波器不同，不同之一是它们的I-V特性曲线，参见图1（a），低温超导检波器I-V特性曲线上凸，

(d2V)/(dI2) ＜0（当V＞0时）

而在我们研究的区域中，在液氮温度工作时，参见图1（b），高温超导检波器I-V特性曲线下凸，

(d²V)/(dI²) ＜0（当V＞0时）

本发明作了下述理论分析：

作为电磁辐射检波器，有一个重要的参量来描述器件的性能，这参量为响应率S，在经典低温约瑟夫逊器件理论中有

S＝ (V)/(P) ＝-R_d/2I_cRΩ²

响应率S的定义是输出电压V除以最大有效输入功率P，而临界电流I_c（即最大的零电压电流I_c）和常态电阻R的乘积I_cR是由用于制造器件的材料特性及工作温度决定的，它可用于定义归一化角频率Ω，

Ω＝hω/2eI_cR

这里ω是微波信号角频率。因为I_cR，ω和Ω皆为常数，因此响应率S正比于动态电阻R_d＝△V/△I。参见图1（a），由于动态电阻R_d明显地依赖于数值（I_bias-I_c）^-1，其中I_bias为检波器的直流偏置电流，所以它必须偏置在十分接近于临界电流I_c的地方。然而，参见图1（b），高温超导检波器偏置在I_bias远离I_c的地方，I_bias＞＞I_c。因此本发明用新的方法来提高响应率S。假设上述理论对高温超导检波器也适用，并且由图1（b）可见在工作点上

R_d～R

注意到I_cR为常数，所以

R_d～I^-1_c

∴ S～I^-1_c

即响应率和临界电流成反比。本发明在实验上，在77K，在50ma＞I＞50μA范围中，在同一块材料上近似地证明了这一点。且在50μA以下，S也随着I_c的减少而增加。

进一步研究表明，当调整器件的临界电流正好降至I_c＝0，I-V曲线上看不到零电压台阶，即在工作温度时在V＝0时
(dV)/(dI) ≠0，但I-V曲线仍呈非线性。我们称它为近临界超导器件，本发明实验证明，它对微波辐照响应率十分高。图2表示了近临界超导体I-V曲线在不同微波功率辐照下的变化情形，曲线象一张弓，在弓的腹部可得到最大的响应率，参见图2。

制作器件使用Y-Ba-Cu-O，Eu-Ba-Cu-O等金属氧化物高温超导材料，关于材料的制备可参有关文献，如M.K.Wu，etal，phys.Rev.Lett.，Vol.58，908（1987）。及缪柏财等，复旦学报（自然科学版）Vol.26，247（1987）。

不论这种检波器是不是约瑟夫逊器件，我们称器件对电磁辐射敏感的区域为弱连接区。通过加工使弱连接区的临界电流减小的工艺被称为弱化。本发明为一种制造高温超导电子学器件的方法，其特征是用金属氧化物高温超导材料制作超导弱连接区，并弱化该弱连接区，使器件在工作温度条件下的零电压电阻不为零，但I-V特性曲线仍呈非线性，或使检波器临界电流小于50μA，以提高响应率。

本发明的弱化是用减少弱连接区的截面积或增加其长度来实现的，使它的宽度为50μm～1mm，长度为50μm-1cm。

本发明为一种高温超导检波器，其特征是用金属氧化物高温超导材料制作弱连接区的，工作温度在60K-90K之间，典型值为77K。

本检波器结构如图3所示，检波器件可用块状、厚膜或薄膜高温超导材料1制成，材料用粘合剂粘附在绝缘基板2上，该粘合剂可用环氧树脂，在超导体中部有一细小的弱连接区3，宽度在50μm-1mm之间，长度在50μm-1cm之间，弱连接区的典型尺寸长、宽、高为0.3mm×0.3mm×0.1mm，这尺寸比相干长度（10 数量级）长得多，因此和经典的低温约瑟夫逊检波器大不相同。厚膜或薄
膜的长和宽也与此相同，只是厚度取决于膜材料。器件两端安置电极5，电极可用蒸发台蒸银电极，或金电极，或先蒸铬，后在铬膜上再蒸铜。用漆包线作引线6。用银膏连结，或用焊料焊上，若用焊接，可用铟焊，可用清洁的电烙铁头，清洁的松香，用180V电压供电，先在线头上焊上多量的铟，然后快速将线头上已熔化的铟接触电极而焊住。

本发明检波器的特征是它的弱连结区的长度在50μm-1cm之间，在工作温度条件下零电压电阻不为零，但I-V特性曲线仍呈非线性，或临界电流小于50μA。

前述弱化弱连接区的方法，也就是使它的临界电流减小的方法，可通过用什锦锉、手术刀和用雕刻的办法，减小弱连接区的面积或增加其长度。

样品的调整须用仪表监视，用四端子法测量器件的室温电阻，即在电流引线中流过一恒定的直流电流，在电位引线上测量它的电压，电压除以电流即为电阻数阻。在室温条件下进行雕刻，一边雕刻，一边测量，刻至0.1Ω左右，然后在液氮中测量它的临界电流，如果临界电流太大，则拿出样品在室温中再雕刻。在临界电流50mA至50μA之间，室温电阻减小一倍，临界电流减小约一个数量级，以此估计，向临界电流接近于零靠近。但要当心不要刻去太多，它的V-I特性曲线须仍呈明显的非线性。

在一个器件上，做成若干个弱连接区相串联，以增加动态电阻和射频阻抗，可以改善器件和测量系统的匹配，可以提高响应率。其调整和监测方法同前，只是多个弱连接区须轮流雕刻，当刻至总电阻发生明显变化即刻另一个，一个个轮流雕刻。若结的数目为n，则刻至总电阻值为n×0.2Ω时可开始测量临界电流。

也可用增加弱连接区的长度的办法改善器件和测量系统的匹配和提高响应率。

本发明器件的特征之一为器件有一个弱连接区或由多个弱连接区串联而成。

本发明主要优点是响应率高，且可用于液氮温度。图4为近临界超导器件的输出电压对被测辐射信号功率的响应率，被测辐射信号用方波调制，频率为4GHZ。由于当辐射功率为7PW时输出电压为0.7μV，所以可计算响应率

S＝ (0.7μV)/(7PW) ＝10⁵V/W