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超导器件尽管没有得到广泛使用，但具有一些标准半导体器件无法提供的独特特性。关于电信号的放大，磁场的检测和光的检测的高灵敏度是有价值的应用。高速切换也是可能的，尽管目前不适用于计算机。常规的超导设备必须冷却到0开氏温度的几度之内。但是，目前正在基于高温超导体的设备上进行工作，这些设备可用于90 K及以下的温度。这是重要的，因为廉价的液氮可用于冷却。
注：0开氏温度 =
−273oC-273^oC−273oC

超导设备

超导性

超导性：Heike Onnes在1911年发现汞（Hg）的超导性，因此获得了诺贝尔奖。大多数金属会随着温度降低而降低电阻。但是，随着接近0开尔文，大多数电阻不会减小到零电阻。汞的独特之处在于，它的电阻在4.2 K时突然降至零Ω。超导体在冷却至其临界温度以下时会突然失去所有电阻，Tc超导体的特性是导体无功率损耗。电流可能会在超导线环中流动数千年。超导体包括铅（Pb），铝（Al），锡（Sn）和铌（Nb）。

库珀对

库珀对：超导体中的无损传导不是通过普通的电子流。由于与刚性离子金属晶格的碰撞，普通导体中的电子流会遇到相反的情况。晶体晶格振动随温度降低而降低，这导致电阻降低至一定程度。晶格振动在绝对零点处停止，但不会消散电子与晶格的耗能碰撞。因此，普通导体不会在绝对值为零时失去所有电阻。

当温度降到超导开始的临界温度以下时，超导体中的电子会形成一对称为库珀对的电子。存在库珀对是因为其能量水平低于未配对的电子。电子由于声子的交换而相互吸引，声子是与振动有关的非常低的能量粒子。此库珀对，量子力学实体（粒子或波）不受物理常规法则的约束。该实体通过晶格传播，而不会遇到构成固定晶格的金属离子。因此，它不消耗能量。库珀对的量子力学性质仅允许其交换离散量的能量，而不是连续可变量的能量。绝对最小的能量量子对于库珀对是可接受的。如果晶格的振动能量较小（由于低温），则库珀对不能接受它，也不能被晶格散射。因此，在临界温度下，库珀对不受阻碍地流过晶格。

约瑟夫森结和晶体管

约瑟夫森交界处：布莱恩·约瑟夫森（Brian Josephson）因1962年对约瑟夫森交界处的预测而获得了诺贝尔奖。约瑟夫逊结是一对由薄绝缘体桥接的超导体，如下图（a）所示，电子可以通过该绝缘体隧穿。最初的约瑟夫森结是由绝缘体桥接的铅超导体。这些天，铝和铌的三层是优选的。即使在超导体上施加零电压，电子也可以隧穿绝缘子。

如果在结上施加电压，则电流会减小并以与电压成比例的高频振荡。施加电压和频率之间的关系是如此精确，以至于现在根据约瑟夫逊结振荡频率来定义标准电压。约瑟夫森结也可以用作低电平磁场的超灵敏检测器。它对微波到伽马射线的电磁辐射也非常敏感。

（a）约瑟夫森结，（b）约瑟夫森晶体管。

约瑟夫森晶体管：靠近约瑟夫森结的氧化物的电极可通过电容耦合影响结。上图（b）中的此类组件是约瑟夫森晶体管。 Josephson晶体管的主要特点是低功耗，适用于高密度电路，例如计算机。该晶体管通常是更复杂的超导器件（如SQUID或RSFQ）的一部分。

超导量子干涉仪（SQUID）

SQUID：超导量子干涉装置或SQUID是超导环内约瑟夫森结的集合。在此讨论中仅考虑DC SQUID。该设备对低电平磁场高度敏感。

下图中，两个约瑟夫逊结并联地在环上施加恒定的电流偏置。在没有施加磁场的情况下，电流在两个结点之间平均分配，并且整个环上都没有电压产生。 [JBc]尽管可以将任何磁通量（Φ）值应用于SQUID，但只有量化值（磁通量量子的倍数）可以流过超导环的开口。[JBa]如果施加的磁通量不在通量量子的精确倍数上，多余的通量被环周围的循环电流抵消，从而产生分数通量量子。循环电流将沿该方向流动，从而抵消超过通量量子倍数的任何多余通量。它可以增加或减少所施加的通量，最多为±（1/2）通量。如果循环电流顺时针流动，则电流会增加到顶部的约瑟夫逊结，并从下面的结点减去。改变施加的通量会线性地导致循环电流以正弦曲线形式变化。[JBb]可以测量为SQUID两端的电压。随着施加磁场的增加，可以通过磁通量量子为每次增加计数电压脉冲。[HYP]

超导量子干涉装置（SQUID）：超导环内的约瑟夫森结对。磁通的变化会在JJ对两端产生电压变化。

据说SQUID对10-14特斯拉敏感，它可以检测10-13特斯拉在大脑中的神经流磁场。将此与地球磁场的30 x 10-6 Tesla强度进行比较。

快速单通量量子（RSFQ）

快速单通量量子（RSFQ）：RSFQ电路不依赖于模拟硅半导体电路，而是依赖于新概念：超导体中的磁通量量化和通量量子的移动会产生皮秒级的量化电压脉冲。磁通量只能存在于以离散倍数量化的超导体部分中。采用允许的最低通量。脉冲由约瑟夫逊结代替传统的晶体管切换。超导体基于三层铝和铌，其临界温度为9.5 K，冷却至5K。

RSQF的工作频率超过100 GHz，功耗很小。利用现有的光刻技术，制造很简单。但是，操作需要制冷至5K。现实世界中的商业应用包括模数转换器和数模转换器，触发器，移位寄存器，存储器，加法器和乘法器。[DKB]

高温超导体

高温超导体：高温超导体是在液氮沸点77 K以上时具有超导性的化合物。这很重要，因为液氮易于获得且价格便宜。大多数传统的超导体是金属。广泛使用的高温超导体是铜酸盐，铜（Cu）的混合氧化物（例如YBa2Cu3O7-x），临界温度Tc = 90K。还有其他清单。[OXFD]本节中描述的大多数设备以高温超导体版本开发，用于不太关键的应用。尽管它们不具有常规金属超导器件的性能，但液氮冷却却更为可用。

回顾

多数金属在接近绝对0时会降低电阻。但是，电阻不会降为0。在冷却时，超导体在其临界温度下会迅速降至零电阻。通常，Tc在绝对零的10 K以内。
一个库珀对，一个电子对，一个量子力学实体，不受阻碍地穿过金属晶格。
电子能够隧穿约瑟夫森结，这是跨越一对超导体的绝缘间隙。
在结附近增加第三电极或栅极构成一个约瑟夫森晶体管。
SQUID，超导量子干涉设备，是磁场的高灵敏度检测器。它计算超导环中磁场的量子单位。
RSFQ，快速单通量量子是一种基于切换超导回路内存在的磁量子的高速切换设备。
Tc高于液氮沸点的高温超导体也可用于构建本节中的超导器件。

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