Двусвязный микроволновод

 

Использование: в микроэлектронике и вычислительной технике в качестве линий связи и межсоединений. Сущность изобретения: устройство содержит два проводника из сверхпроводящего материала. Площадь поперечного сечения одного проводника меньше квадрата глубины проникновения электромагнитного поля в сверхпроводящий материал. Кристаллографическая ось C сверхпроводникового материала ориентирована вдоль продольной оси микроволновода. 1 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к микроэлектронике и вычислительной технике и может быть использовано в качестве линий связи и межсоединений (соединителей элементов) для передачи импульсных сигналов малой длительности как между частями интегральных схем, так и между элементами схем.

Целью изобретения является увеличение волнового сопротивления двусвязного микроволновода.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Волновое сопротивление двухпроводной линии определяется следующей формулой: R_k = (L/C)^1/2, (1) где С и L - погонные емкость и индуктивность.

Погонная индуктивность определяется как коэффициент пропорциональности, связывающий градиент по оси х вдоль линии напряжения U между двумя проводниками и временной производной от тока I в них: ∂U/∂x = - L ∂I/∂ t (2) Уменьшение поперечных размеров жилы, начиная с глубины проникновения поля, приводит к существенному возрастанию индуктивности, а следовательно, и волнового сопротивления. Действительно, можно записать L = L_o + L_k, разделив вклады в индуктивность от инерционности электромагнит- ного поля и от инерционности носителей заряда т. е. сверхпроводящих электронов, при этом СL_o = c^-2, где с - скорость света в окружающем диэлектрике. Можно считать, что движение каждого сверхпроводящего электрона происходит по закону Ньютона под действием электрической силы Е = ∂U/∂x, а саму силу в рассматриваемом нами случае приближенно можно считать однородной по поперечному сечению, тогда: · = e·E, (3) где m - масса; е - заряд электрона; n - концентрация электронов; S - площадь поперечного сечения проводника. Подставляя это выражение в (2) и используя определение глубины проникновения поля, δ_L = = [c²˙m/(4 π˙n ˙e²)] ^1/2, получаем: L_k= · (4) Пренебрегая L_o по сравнению с L_k в (1), приходим к окончательной формуле для величины волнового сопротивления линии: R_R= (5) Сравним полученный результат с аналогичным результатом для прототипа, волновое сопротивление которого (сопротивление вакуума) определяется формулой R = 1/(cC). Видно что их отношение: R_k/R [4 π c δ_L²/S] ^1/2 (6) велико, когда площадь поперечного сечения проводника (жилы) мала по сравнению с δ_L². При ориентации тяжелой оси анизотропии (в случае анизотропного сверхпроводника) вдоль оси микроволновода происходит увеличение глубины проникновения поля δ_L, что приводит, согласно (5) и (6), к увеличению эффекта. Все связанное выше относительно к любым типам двусвязных микроволноводов с произвольной формой поперечного сечения.

Пример выполнения. В качестве материала выбран ВТСП состава Y-Ba-Cu. Один проводник изготовлен из ВТСП пленки толщиной 0,01 мкм методом фотолитографии с шириной полоски 0,3 мкм (таким образом проводник имеет прямоугольное поперечное сечение площадью S = 0,003 мкм²). Полагая δ_L = 0,1 мкм), выходим, согласно (6), что в данном случае благодаря уменьшению сечения жилы волновое сопротивление возросло в 5 раз.

В качестве примера конкретного исполнения изобретения по пункту 2 рассмотрим ту же систему, но с осью анизотропии С, ориентированной вдоль оси микроволновода. Такая ориентация приводит к увеличению глубины проникновения поля, равному корню квадратному из отношения эффективных масс для движения сверхпроводящих пар вдоль оси перпендикулярно ей. Полагая это отношение равным 100, находим, что в рассматриваемом случае волновое сопротивление увеличится в 100 раз по сравнению с предыдущим примером и в 500 раз по сравнению с прототипом. Максимально возможная длина рассматриваемой линии связи определяется по ослаблению амплитуды сигнала в е раз. Затухание сигналов происходит из-за участия в проводимости нормальных электронов. Для данной конструкции микроволновода и для фиксированных внешних условий произведение максимальной длины линии на ее волновое сопротивление есть константа, не зависящая от каждого из сомножителей. То есть выигрыш в волновом сопротивлении приводит к проигрышу в максимальной длине. Обычные (т. е. с вакуумным волновым сопротивлением) микроволноводы из ВТСП могут иметь максимальные длины в сотни метров и более, что свидетельствует о достаточном запасе по затуханию для создания сантиметровых линий связи на основе предлагаемых двусвязных микроволноводов (соединителей) с тонкой сверхпроводящей жилой.

Изобретение может найти широкое применение в ультрасовременной полупроводниковой микроэлектронике и сверхскоростной вычислительной технике, ориентированной на работу с короткими импульсами (100 пс и короче) и компактным конструктивным воплощением (микронные и субмикронные размеры активных элементов и соединителей). (56) Письма в ЖТФ. 1989, т. 15, вып. 24, с. 33-36.

Формула изобретения

1. ДВУСВЯЗНЫЙ МИКРОВОЛНОВОД , содеpжащий два пpоводника из свеpхпpоводящего матеpиала, отличающийся тем, что по меньшей меpе один пpоводник выполнен с площадью попеpечного сечения, меньшей квадpата глубины пpоникновения электpомагнитного поля в свеpхпpоводящий матеpиал.

2. Микpоволновод по п. 1, отличающийся тем, что пpоводники выполнены из высокотемпеpатуpного свеpхпpоводящего матеpиала, кpисталлогpафическая ось C котоpого оpиентиpована вдоль пpодольной оси микpоволновода.