Исследования полосы преобразования НЕВ смесителя при температуре сверхпроводящего перехода

Семейство типичных вольт-амперных характеристик смесителя, полученных при разной температуре, приведено на рис. 10. Самая верхняя кривая соответствует температуре 4,2 К. Нижележащие кривые сняты при постепенном повышении температуры. Самая нижняя кривая соответствует нормальному состоянию. Кривая непосредственно над ней есть рабочая кривая; ей соответствует температура, примерно равная Т. Прямая, проходящая через начало координат с наклоном, равным 50 Ом, является касательной к рабочей вольт-амперной кривой в начале координат (в общем случае тангенс угла наклона равен 7?^/2 и может отличатся от 50 Ом). Эта прямая проводится во время эксперимента, чтобы облегчить нахождение рабочей вольт-амперной кривой.

Рис. 10. Семейство вольт-амперных характеристик смесителя, полученных при разных температурах.

Самая нижняя кривая соответствует нормальному состоянию. Кривая непосредственно над ней — рабочая кривая. Напряжение смещения в рабочей точке равно 1 мВ

На рис. 11 представлены результаты измерения полосы преобразования смесителя с длиной 0,11 мкм. Зависимость выходной мощности от ПЧ (после калибровки тракта ПЧ) можно аппроксимировать при помощи формулы

что дает частоты среза указанные на рисунках. Следует отметить, что значение 3,5 ГГц является типичным для НЕВ смесителей с фононным каналом охлаждения на Si подложках без применения дополнительного подслоя MgO. На рис. 12 приведены результаты зависимости полосы преобразования смесителей от длины мостика.

Рис. 11. Результаты измерения полосы преобразования для НЕВ смесителей

Характеристики соответсвующих смесителей представлены в табл. 3. Видно, что в интервале длин 0,1—0,2 мкм ширина полосы преобразования сильно отличается от значения 3,5 ГГц. Более того, ширина полосы преобразования возрастает примерно обратно пропорционально квадрату длины мостика (если не считать постоянной составляющей, обусловленной фононным каналом охлаждения, вклад которого от длины мостика не зависит). Можно предположить, что процесс релаксации электронной температуры протекает по двум независимым (во всяком случае, в первом приближении) каналам: фононному и диффузионному Тогда полный коэффициент теплоотвода равен сумме коэффициентов теплоотвода для фононного и диффузионного каналов в отдельности:

(49)

^G,«, = ^G_pl.^+G

откуда время релаксации электронной температуры есть

Рис. 12. Полоса преобразования как функция длины смесительного элемента

Сплошная кривая есть теоретическая зависимость

Коэффициент преобразования в этом случае дается выражением (19). Подстановка соответствующих параметров NbN в (21) и (50) дает для частоты среза выражение

_^8__{=3 +}--₍₅₁₎

1 ГГц (?/1 мкм) где L — длина смесительного элемента.

Зависимость (51) построена на рис. 12 сплошной линией. Хотя согласие с экспериментом довольно хорошее, нельзя не отметить разброс точек, причем больший интерес вызывают случаи, когда измеренное значение меньше предсказываемого теорией. Дело в том, что производная частоты среза, даваемой выражением (51), возрастает при уменьшении длины мостика. Поэтому относительно небольшая неточность в определении длины приводит к сильному изменению частоты среза. В некоторых случаях измеренное значение частоты среза оказывается больше расчитанного. Это может быть связано с экспериментальной погрешностью (примерно 10%); кроме этого, можно ожидать, что в пределах одной партии смесители не будут иметь идентичных характеристик (при условии, что они имеют одинаковые размеры, то есть «входные данные» одинаковые. В виду сложности технологического процесса, к сожалению, не удалось получить смесители с длинами в интервале 0,2—0,3 мкм, пригодные для измерений ширины полосы преобразования. Поэтому можно заключить, что действительно имеет место дополнительное охлаждение посредством диффузии горячих электронов в контактные площадки.