Зависимость сопротивления НЕВ смесителя от температуры

Тестирование НЕВ смесителей по постоянному току включает измерение плотности критического тока и зависимости сопротивления от температуры. Как показано на рис. 6, а, смесительный чип устанавливается в держатель на конце штока.

б)

Рис. Б. Схемы:

• а) - схема экспериментальной устанровки для измерения R(T)-,
• б) - типичная зависимость сопротивления от температуры для НЕВ смесителей, исследованных в работе.

Помимо первого сверхпроводящего перехода можно видеть второй при более низкой температуре из-за эффекта близости между сверхпроводящей пленкой и нормальными контактными площадками

Сопротивление измеряется при помощи стандартной 4-точечной схемы с использованием источника тока Keithley для создания тока в 10 мкА через образец и прецизионный вольтметр Solartron для измерения сопротивления на образце. Угольный термометр монтируется противоположно образцу таким образом, что его температура равна температуре образца. Сопротивление термометра измеряется при помощи мультиметра НР34401А, работающего в режиме измерения сопротивления по 4-й точке. На рис. 6, б показана типичная АГ-кривая для НЕВ смесителей, обсуждаемых в данной монографии. Ширина первого сверхпроводящего перехода при 9 К равна примерно 1 К. Присутствие второго перехода при 7 К связано с эффектом близости между сверхпроводящей пленкой и нормальными Ап контактными площадками, что возможно только в случае отсутствия энергетического барьера на границе NbN-Au, который может препятствовать диффузии куперовских пар их пленки NbN [64]. Плотность критического тока, оцененная из измерений критических токов устройств с различными размерами, составляет порядка 10⁶ Асм^-2.

Полоса преобразования НЕВ смесителя

Схема экспериментальной установки, которую использовали авторы для измерения полосы преобразования смесителей, приведена на рис. 7. Полоса преобразования НЕВ смесителей была измерена с использованием стандартной процедуры с двумя монохроматическими источниками: двумя лампами обратой волны (ЛОВ), работающими в диапазоне 270—320 ГГц. В течение эксперимента частота одной ЛОВ оставалась фиксированной, а другой — перестраивалась таким образом, чтобы покрыть диапазон ПЧ от 0,1 ГГц до 10 ГГц. Уровни мощности обеих ЛОВ подстраивались при помощи проволочных аттенюаторов. После прохождения через соответствующие аттенюаторы сигналы сбивались при помощи слюдяного делителя луча и заводились в криостат, где они попадали на смеситель, установленный в смесительном блоке, смонтированном на холодной плате криостата. Температура смесителя во время работы могла быть повышена при помощи печки, закрепленной на смесительном блоке, и измерялась калиброванным термометром LakeShore.

криостат

Рис. 7. Схемы экспериментальных установок для измерения полосы преобразования

НЕВ смеситель согласовывался по ПЧ с 3-сантиметровой копланарной линией с последующим переходом на коаксиальный кабель, который выводил сигнал ПЧ из криостата к теплому адаптеру смещения Picosecond Pulse Labs с полосой 18 ГГц и затем к усилителю MITEQ с полосой 0,1—12 ГГц и коэффициентом усиления 36 дБ. Частотный диапазон от 0,1 ГГц до 6 ГГц обрабатывался анализатором спектра Rohde & Schwartz (частотный диапазон от 100 кГц до 6 ГГц) (см. рис. 7, а). Чтобы покрыть диапазон выше 6 ГГц, экспериментальная установка была модифицирована путем включения чоппера на выходе сигнальной лампы, и анализатор спектра был заменен квадратичным детектором и селективным вольтметром (см. рис. 7, б). Перестраиваемый полосовой фильтр с центральной частотой от 2 ГГц до 8 ГГц и полосой 50 МГц был включен в тракт ПЧ для уменьшения шумов и предотвращения насыщения второго усилителя MITEQ.

Модель НЕВ смесителя, представленная в главе 1, предполагает, что электронная и фононная температуры однородны по всей пленке, что, строго говоря, возможно только, если температура ванны равна критической температуре. В этом случае энергетическая щель почти полностью подавлена, что позволяет использовать в измерениях две ЛОВ, работающие в диапазоне 270—320 ГГц.

Хотя термометр, установленный на смесительном блоке, мог быть использован для контроля температуры смесителя, была найдена более эффективная процедура. Зависимость R(T) следует измерять при как можно меньших токах смещения (в режиме генератора тока), чтобы избежать нежелательных эффектов, таких как распаривание током и допольнитель-ный джоулев нагрев вблизи сверхпроводящего перехода. Поэтому, если построить семейство вольт-амперных кривых для устройства при разных температурах ванны, наклон в начале координат (dV/dI)_Q для кривой, взятой при температуре Т, будет равет R(T). Поскольку критическая температура обычно определяется как температура, при которой сопрот-вление образца примерно равно половине сопротивления над сверхпроводящим переходом ^X/₂R_N (для NbN критическая температура условно определяется условием А(Г) = ¹/₂7?(20 К)), это означает, что когда (dV/dl)^ = ^{/₂R_N, температура смесителя примерно равна 7с, энергетичекая щель практически полностью подавлена, и ВЧ сигнал может быть равномерно поглощен смесителем. Это простое замечание позволяет избежать использования термометра и связанных с этим неточностей при установке рабочей температуры НЕВ смесителя.

Еще одно требование модели однородного разогрева состоит в том, что уровни мощности сигнала и гетеродина должны быть малыми. Это означает, что ток смесителя при некотором фиксированном значении напряжения смещения не должен меняться существенным образом, когда помимо нагрева смеситель подвергается действию ВЧ сигнала. В идеале следует иметь §I_mixer/I_mixer « 1 (^Г_тЬсег — изменение тока смесителя, вызванное включением ВЧ сигнала); на практике это обычно ведет к тому, что ПЧ сигнал очень мал. В экспериментах было установлено значение §I_mixer/I_mixer ⁼ Теперь, когда рабочая вольт-амперная кривая была установлена, необходимо было выбрать на ней рабочую точку. При вычислении импеданса НЕВ смесителя формально получается

Z^^ = ± _R(r,T_e)'] = R + r^- + r^-^. (43)

di dI^{L v eJJ} 37 dT_e 37

Второй член в крайней правой части (43) описывает нетермические эффекты тока, такие как вихри и центры проскальзывания фазы [64] (ток при этом не обязательно должен быть близок к критическому). Эти эффекты нежелательны при последовательном применении модели однородного разогрева, поэтому следует обеспечить, чтобы с хорошей точностью

(44)

а/ э/

чего можно добиться путем выставления как можно более низкого значения напряжения смещения (следовательно, ток смесителя будет мал), возможно, за счет хорошего отношения сигнал-шум. Поэтому выбор рабочей точки есть компромис между последовательностью и хорошим отношением сигнал-шум. Также, устанавливая низкое значение напряжения смещения, можно сделать вклад саморазогрева несущественным.