超导隧道器件查看源代码讨论查看历史

准粒子借助隧道效应通过势垒层的现象称为准粒子隧道效应。习惯上把电子对隧道效应和准粒子隧道效应合称超导隧道效应。利用这种原理制成的器件称为超导隧道器件，

理论来源

1962年英国B.D.约瑟夫逊从理论上证明，当两块超导体之间存在弱耦合构成结时，库柏电子对可以穿越其间的势垒层而形成隧道电流。因而，通过结区可以流过一定的直流电流，而器件两端的电压降为零；若电流超过某一临界值（通常在10-3～10-6安的范围内）,则器件两端呈现一定的电压降υ，流经结区的电流是高频振荡的形式，频率为2eυ/h(式中e为电子电荷，h为普朗克常数)。1963年上述结论为实验证实。这种现象称为约瑟夫逊效应，或电子对隧道效应。

若结区两端的电压超过超导体能隙所对应的值，则电场能量足以拆散库柏电子对而形成准粒子。准粒子借助隧道效应通过势垒层的现象称为准粒子隧道效应。习惯上把电子对隧道效应和准粒子隧道效应合称超导隧道效应。利用这种原理制成的器件称为超导隧道器件，有时也称约瑟夫逊器件或约瑟夫逊结。上述器件按物理结构的不同，又可细分为隧道结、微桥结、点接解结等。

发现过程

1962年正在英国剑桥大学攻读物理博士学位的约瑟夫森发现，在两块厚度只有十分之几微米的铅或其他合金做成的超导体薄膜之间，夹一层厚度只有约10埃的绝缘介质层，组成一种类似“三明治”结构，即“超导体——绝缘体——超导体”的结构。当此超导薄膜两边加上电压时，电子便像通过隧道一样毫无阻挡地从绝缘介质穿过，形成很小电流，绝缘介质两端没有电压。这种现象称为超导隧道现象。它揭示了超导体内的电子对穿过绝缘层的“隧道”时所显示出来的一系列电学、磁学、辐射方面的特性，预示了超导材料用于生产实际的可能性，为此，当时年仅21岁的约瑟夫森于1973年获得了诺贝尔奖，并将超导隧道效应名命为约瑟夫森效应。以约瑟夫森效应为基础制成了超导开关器件和超导存储器这两种计算机中最基本的器件。这两种器件又称约瑟夫森器件。

器件特点

这种器件具有如下特点：①开关速度快。目前已达几微微秒，比高速硅集成电路快几百倍。②功耗非常小。仅为硅集成电路的几百分之一。有人预测，过去需要10千瓦功率的大中型计算机，如用约瑟夫森器件制成的超导计算机，则只需1节干电池。③功耗小，散发热量少，集成度高。④器件结构基本上和现行大规模集成电路相同。因此，超导计算机的性能是目前计算机所无法比拟的。事实上，近十几年来，人们一直为实现超导计算机而努力奋斗，制造了具有独特优点的各种器件。

器件实例

例如，美国于1976年曾观察到单一约瑟夫森器件的开关速度为29微微秒；1978年在第25届国际固体电路会议上报告称：一种实验性超导开关逻辑电路，开关速度为42微微秒；1983年11月日本却获得开关速度为5.6微微秒。尽管目前进展很快，但与研制成超导计算机还有相当距离。其主要原因是：各类约瑟夫森器件相连结是个难题；超导计算机要有超低温环境，这就需要附加一整套超低温设备；超导计算机如何与输入、输出等外部设备相接等问题都有待解决。所以，有人把超导计算机称为“梦幻式计算机”，可见制造超导计算机相当困难。