ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ISSN: 1727-2769
English | Русский

Последний выпуск
№3(40) июль-сентябрь 2018

Экспериментальное исследование криогенных усилителей на основе SiGe биполярных транзисторов при температуре 4,2 К.

Выпуск № 1 (22) январь-март 2014
Авторы:

Иванов Борис Игоревич
Аннотация
Современная микроэлектроника на основе эффектов Джозефсона и сверхпроводимости получает всю большую актуальность за счет сверхвысокой чувствительности к электромагнитному излучению. Соответственно, параллельно развиваются криогенные охладительные системы и считывающая электроника для них. Для экспериментального исследования свойств сверхпроводящих квантовых интерференционных детекторов (СКВИД) и устройств на одиночных быстрых квантах магнитного потока (RSFQ) при криогенных температурах вплоть до 4,2 градуса Кельвина в полосе частот 10 кГц- 500 МГц были разработаны и экспериментально исследованы криогенные усилители на основе SiGe гетероструктурных биполярных транзисторов. Коэффициент усиления по напряжению составляет 15 дБ при максимальной мощности рассеивания 750 мкВт для представленного диапазона частот. Шумовая температура и эквивалентное шумовое сопротивление составляют менее 2 градусов Кельвина и 50 Ом, соответственно, при температуре эксперимента 4,2 К и спектральной плотности шума напряжения 35 пкВ/√Гц, приведенного ко входу. Малое эквивалентное шумовое сопротивление и малая шумовая температура позволяют использовать предложенные криогенные усилители в системах детектирования сигналов приведенных выше сверхпроводниковых устройств. При этом, малая мощность рассеивания позволяет увеличить число измерительных трактов за счет увеличения общего числа усилителей в криостате до нескольких десятков. Это также является актуальным при усилении сигналов в радиоастрономии, где количество каналов определяет качество принимаемого сигнала.
Ключевые слова: криогенный усилитель, усилитель для СКВИД, сверхпроводниковый квантовый бит, устройства на одиночных быстрых квантах магнитного потока, малошумящий усилитель, малая шумовая температура, усилитель для высокодобротных сверхпроводниковых резонаторов

Список литературы
  1. Augustine M.P., TonThat D.M., Clarke J. SQUID detected NMR and NQR // Solid State Nuclear Magnetic Resonance. – 1998. – Vol. 11. – Pp. 139–156.
  2. Matlashov A.N., Koshelets V.P., Kalashnikov P.V. Zhuravlev Y.E., Slobodchikov V.Yu., Kovtonyuk S.A., Filippenko L.V. High sensitive magnetometers and gradiometers based on DC SQUIDs with flux focuser // IEEE Trans. – 1991. – Vol. 27. – No. 2. – Pp. 2963–2966.
  3. Clarke J., Braginski A.I. The SQUID Handbook. Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems, Gruenstadt, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. – 2004. – Vol. I. – Pp. 395.
  4. Reich T., Ortlepp Th., Uhlmann F.H. and Febvre P. Experimental analysis of a digital SQUID device at 4.2 K // Supercond. Sci. Technol. – 2005. – Vol. 18. – Pp. 1077–1081.
  5. Reich T., Ortlepp Th. and Uhlmann F.H. New approach for a highly sensitive magnetometer utilizing a multi-stage digital SQUID // Supercond. Sci. Technol. – 2006. – Vol. 19. – Pp. 276–279.
  6. Ortlepp T., Ariando O. Mielke, Verwijs C.J.M., Foo K.F.K., Rogalla H., Uhlmann F.H., Hilgenkamp H. Flip-Flopping Fractional Flux Quanta // Science. – 2006. – Vol. 312. – No. 5779. – Pp.1495–1497.
  7. Mooij J.E., Orlando T.P., Levitov L., Tian Lin, Caspar H. van der Wal, Seth Lloyd. Josephson Persistent-Current Qubit // Science. – 1999. – Vol. 285. – No. 5430. – Рp. 1036–1039.
  8. Makhlin Yu., Schoen G., Shnirman A. Quantum-state engineering with Josephsonjunction devices // Rev. Mod. Phys. – 2001. – Vol. 73. – No. 2. – Рp. 357–400.
  9. Izmalkov A.,Grajcar M., Il’ichev E., Wagner Th., Meyer H.-G., Smirnov A.Yu., Amin M.H.S., Alec Maasen van der Brink, and Zagoskin A.M. Evidence for Entangled States of Two Coupled Flux Qubits // Phys. Rev. Lett. – 2004. – Vol. 93. – No. 3. – Рp. 037003–037006.
  10. Izmalkov A., S.H.W. van der Ploeg, Shevchenko S.N., Grajcar M., Il’ichev E., Huebner U., Omelyanchouk A.N. and Meyer H.-G. Consistency of Ground State and Spectroscopic Measurements on Flux Qubits // Phys. Rev. Lett. – 2008. – Vol. 101. – No. 1. – Рр. 017003–017006.
  11. Clarke J., Wilhelm Frank K. Superconducting quantum bits // Nature/ – 2008. – Vol. 453. – Рp. 1031–1042.
  12. Pospieszalski M.W., Weinreb M., Norrod R.D., Harris R. FET's and HEMT's at Cryogenic Temperatures- their properties and use in low-noise amplifiers // IEEE Trans. – 1988. – Vol. 36. – No. 3. – Рp. 552–560.
  13. Risacher Ch. and Belitsky V. GaAs HEMT Low-Noise Cryogenic Amplifiers from C-Band to X-Band with 0.7-K/GHz noise temperature // IEEE microwave on. – 2003. –Vol. 13. – No. 3. – Рp. 96–98.
  14. Oukhanski N., Grajcar M., Il’ichev E. and Meyer H.-G. Low noise, low power consumption high electron mobility transistors amplifier, for temperatures below 1 K // Rev. Sci. Instrum. – 2003. – Vol. 74. – No. 2. – Pp. 1145–1146.
  15. Oukhanski N., Stolz R. and Meyer H.-G. High slew rate, ultra stable direct-coupled readout for dc superconducting quantum interference devices // Appl. Phys. Let. – 2006. – Vol. 89. – No. 6. – Рp. 063502–063502-3.
  16. Wuensch S., Ortlepp Th., Crocoll E., Uhlmann F.H. and Siegel M. Cryogenic semiconductor amplifier for RSFQ-Circuits with high data rates at 4.2 K // IEEE Trans. – 2009. – Vol. 19. – No. 3. – Рp. 574–579.
  17. Korolev A.M., Shnyrkov V.I. and Shulga V.M. Ultra-high frequency ultra-low dc power consumption HEMT amplifier for quantum measurements in millikelvin temperature range // Rev. Sci. Instrum. – 2011. – Vol. 82. – No. 1. – Рp. 016101–016103.
  18. Kiviranta M. Use of SiGe bipolar transistors for cryogenic readout of SQUIDs // Supercond. Sci. Techn. – 2006. – Vol. 19. – No. 2. – Рp. 1297–1302.
  19. Weinreb S., Bardin J. and Mani H. Design of cryogenic SiGe low-noise amplifiers // IEEE Trans. – 2007. – Vol. 55. – No. 11. – Рp. 2306–2312.
  20. Bardin Joseph C., Weinreb S. A 0.1–5 GHz Cryogenic SiGe MMIC LNA // IEEE microwave. – 2009. – Vol. 19. – No. 6. – Рp. 407–409.
  21. Weinreb S., Bardin J., Mani H. and Jones G. Matched wideband low-noise amplifiers for radio astronomy // Rev. Sci. Instrum. – 2009. – Vol. 80. – No. 4. – Рp. 044702–044707.
  22. Ivanov B.I., Trgala M., Grajcar M., Il'ichev E. and Meyer H.-G. Cryogenic ultra-lownoise SiGe transistor amplifier // Rev. Sci. Instrum. – 2011. – Vol. 82. – No. 10. – Рp. 104705–104707.
  23. Beev N. and Kiviranta M. Cryogenic low-noise dc-coupled wideband differential amplifier based on SiGe heterojunction bipolar transistors // Rev. Sci. Instrum. – 2012. – Vol. 83. – No. 6. – Рp. 066107–066109.
  24. Beev N. and Kiviranta M. Fully differential cryogenic transistor amplifier // Cryogenics. – 2013. – Vol. 57. – Рp. 129–133.
  25. Shnyrkov V., Wagner T., Born D., Shevchenko S., Krech W., Omelyanchouk A., Il’ichev E. and Meyer H.-G. Multiphoton transitions between energy levels in a phasebiased Cooper-pair box // Phys. Rev. B. – 2006. – Vol. 73. – No. 2. – Рp. 024506–024513.
  26. Supermix simulation library [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. submm.caltech.edu/supermix
  27. iSim 7.00h electronics circuit simulator [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. intersil.com/content/intersil/en/tools/isim.html  
Просмотров: 1192