[科普中国]-低温电子学

研究从 77K到绝对零度深冷范围内材料与半导体器件的电特性及其应用的科学。广义的低温电子学包括超导电子学。1962年，约瑟夫逊效应的发现赋予低温电子学以全新的重要内容。此后，低温电子学的主要内容就是超导电子学。但是，由于历史上的习惯，对于超导电子学以外低温条件下的电子学内容，仍称为低温电子学。

简介研究从 77K到绝对零度深冷范围内材料与半导体器件的电特性及其应用的科学。广义的低温电子学包括超导电子学。1962年，约瑟夫逊效应的发现赋予低温电子学以全新的重要内容。此后，低温电子学的主要内容就是超导电子学。但是，由于历史上的习惯，对于超导电子学以外低温条件下的电子学内容，仍称为低温电子学。

学科内容低温工程与电力电子学的交叉产生低温电力电子学这一新兴边缘学科，低温电子学以导体动态电阻的热噪声在深冷温度下可大大降低为基础，其主要研究内容有以下四个方面：①研制从米波到红外波段的电磁辐射仪器中各类量子放大器、低温参量放大器、低温微波噪声源和低温场效应放大器等低噪声前端，以及各种低温仪器和电子装置；②研究低温条件下的材料、元件、器件的特性，特别是高频特性；③研究低温条件下纯金属、合金、介质、绝缘材料和半导体元件、器件的应用；④研制低温电子学和超导电子学所需的各类低温装置和低温测试仪表。

应用随着环境温度降低，金属电阻率变小，介质和各类元件的损耗降低，有源器件的噪声减弱，这是低温电子学的物理基础。50年代末期以来，量子放大器、低温参量放大器、低温微波噪声源标准、低温场效应晶体管放大器、低温混频器等低温电子装置，已广泛应用于低噪声接收和精密测量技术中。

量子放大器利用某些顺磁晶体的顺磁共振原理和物质内部离子的能态跃迁现象，实现微波放大的装置，又称脉泽。原子或粒子在从一个能级向另一个能级的量子跃迁过程中引起受激辐射现象，利用电磁振荡器实现顺磁晶体与可放大信号和激励源的电磁场的相互作用，把粒子（原子和分子）所具有的能量不断转换为超高频电磁场的能量。

量子放大器（图1）工作在4.2K或更低的环境温度中，其噪声主要取决于离子能级跃迁过程中所产生的量子噪声，工作频率只决定于顺磁离子的能级分裂，而不受分布参数的限制，因而它可工作到短毫米波。这种放大器是噪声最低的一种微波放大器，而且工作稳定、线性度好。新型的反射式行波量子放大器已能克服量子放大器带宽窄的缺点。

低温参量放大器在低温下，利用谐振信号电路中电容或电感周期性的非线性变化实现放大。参量放大器

的理想电路仅含电抗元件，不存在有源热噪声，是一种低噪声放大器。它的噪声主要来自电路中不可避免的串联电阻的热噪声和连接线路的损耗。参量放大器的等效噪声温度取决于二极管参量、采用的电路形式和冷却温度。

低温参量放大器的噪声几乎正比于冷却温度。这种放大器具有噪声低、非线性小、稳定度高和动态范围大的良好性能。与量子放大器相比，它的结构简单，对制冷要求较低。因此，它在卫星地球站、射电天文和远程雷达等高灵敏接收系统中得到广泛的应用。

低温微波噪声标准是在一定带宽内输出标准噪声功率并用绝对温度来量度噪声温度的一种电子仪器。低温微波噪声标准主要用于卫星通信、现代射电天文、电子对抗、雷达前端的参量放大、场效应放大器和超导约瑟夫逊接收装置的低噪声精密测试，还可用于辐射计定标、衰减测定和天线噪声温度和低电平等幅波信号电平校准。为适应几百度到几度 (K）超低噪声温度的测量需要，已研制出低于室温的各种低温负载标准噪声源，其输出噪声温度接近于冰水、液氮、液氢或液氦等低温液体的温度。

低温场效应放大器低温下工作的场效应晶体三极管放大器。理论分析和实验结果表明，当环境温度降低时，

场效应晶体管材料中载流子的迁移率增大，从而使放大器的增益提高，噪声降低。现代低温场效应放大器，在L波段和致冷温度在 78K、15K时，其噪声温度分别为22K和12K；在S波段，在上述同样致冷温度情况下噪声为30K和50K；在X波段，致冷温度在15K时，噪声≤100K；18吉赫时，在液氮温度冷却下，噪声为95K。低温场效应放大器工作频带很宽，可达一个倍频程，通常只要求77K致冷，要求的致冷量也比较小，因而制作容易，结构简单、体积小，已被用于微波低噪声接收机的前端和毫米波致冷混频器的后置中频放大。这种放大器的噪声特性比常温参量放大器好，在10吉赫以下时甚至以低温参量放大器还好。但在10吉赫以上时低温场效应放大器不及低温参量放大器。低温场效应放大器通常用液氮杜瓦容器或15K左右的闭合循环微型制冷机致冷。

低温混频器当工作频率高到 100吉赫时一般采用低温混频器或超导混频器作为低噪声前置放大器，并用量子放大器作为下一级放大。例如，一个80吉赫液氮砷化镓肖特基二极管混频器的噪声系数为3.2分贝，比室温时的噪声降低2.6分贝。

低温红外探测器红外探测器对周围环境的热辐射敏感。这种探测器经低温冷却后，响应时间缩短、灵敏度提高、响应波长展宽、受限背景噪声减小。常用的红外探测器大多只需要77K温度，而且多使用开放的液氮传输式制冷器或焦耳－汤姆逊节流制冷器。在远红外波段，为提高探测率和灵敏度，通常还须用液氖温区30K左右的低温恒温容器和斯特林制冷机来冷却，如锗掺汞、侠镉汞等红外探测器材料。

低温激光器它的工作基于物质内部粒子在不同能级间跃迁的物理现象。大多数激光器在很低温度下工作时可呈现出更好的性能。但在较高温度下自由电子的光子吸收会使损耗增大。冷却到低温则可减小其阈值，即可减小激光器的激励功率。随着微小型致冷装置的日益完善，激光装置有可能使用低温（77K或更低）制冷装置。

材料可 广 泛 用于 低 温 电 子 学 的 材 料 基本 上 分 为两 类1。第一 类 材料，用 于 普 通电 子学中，但 在深冷 条 件 下 可改善 自 己 的 电子 和 量 子 特性。这 一类 包 括 某 些 结 晶 绝 缘 体，一 系列 金 属 和 半 导体。第 二类材料，只有 在低温 下才能 呈 现 白 己有价值 的 特 性。该 类 材料有超 导体,稀有 金 属，低 温 气体 以及 铁 电 物 质，在 狭 窄禁带 内 的金属 间 化 合 物 和合金。半 导 体 的 特性只 有 在 深冷条 件 下 才 能 出现( 如 锑 化锢 )。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所