Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3880
Scherbel, Jens
Hochfrequenzverhalten gekoppelter und ungekoppelter Josephson-Kontakte auf der Basis von Hochtemperatur-Supraleitern
V, 92 S., 2001
Josephson-Kontakte aus Hochtemperatur-Supraleitern (HTSL) sind aktive
Hochfrequenzbauelemente, die als Oszillatoren oder Frequenzmischer im Submillimeter-
Wellenlängenbereich verwendet werden können. Die Frequenzen dieser elektromagnetischen Wellen
reichen von 300 GHz bis etwa 3 THz. Derzeitig wird dieses Frequenzband des
elektromagnetischen Spektrums relativ wenig genutzt, da es z.Z. noch recht schwierig ist,
Submillimeter-Wellen zu erzeugen und zu detektieren. Submillimeter-Wellentechnologien
werden jedoch mehr und mehr in praktischen wissenschaftlichen Untersuchungen interessant,
wie z.B. in der Radioastronomie, der Atmosphärenforschung, der Plasmadiagnostik und in
THz- Bildgebungsverfahren.
In dieser Arbeit wurde deshalb das Verhalten von HTSL Josephson Kontakten sowohl
experimentell als auch theoretisch im Hinblick auf THz-Anwendungen untersucht. Im ersten
Teil wurde das Verhalten von intrinsischen Josephson-Kontaktstapeln gemessen. Die Stapel
auf der Basis von gesputterten BSCCO-Schichten weisen aufgrund vieler Mikro-Kurzschlüsse
kein intrinsisches Josephson-Kontakt-Verhalten auf. Stapel aus gesputterten TBCCO-
Schichten hingegen zeigen ein klares intrinsisches Josephson-Kontaktverhalten. Die
Quasiteilchen-Äste in deren Strom-Spannungs-Kennlinien weichen von dem Verhalten des
allgemein ver-wendeten RCSJ-Modells ab. Die Äste können aber innerhalb eines
Tunnelmodells unter Verwendung einer d-WeIlen Zustandsdichte des Supraleiters
beschrieben werden. Dabei wurde eine temperaturabhängige Stromverteilung und eine Zero-
Bias-Anomalie gefunden. Weiterhin wurde das Kohärenzverhalten intrinsischer
Stapelkontakte mit zusätzlichen Seiten-Shunts theoretisch untersucht. Die Existenz von
Parametergrenzen, innerhalb deren Phasenkopplung der Josephson-Kontakte stattfindet,
konnte demonstriert werden und wird im Hinblick auf THz-Oszillatorenanwendungen
diskutiert. Josephson-Kontakte eines Stapels mit Streuungen im kritischen Strom bis zu 15%
können bei Verwendung einer geeigneten resonanten Shuntgeometrie phasengekoppelt
werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Mischereigenschaften von HTSL Bikristallkontakten
als Hohlleitermischer für 115 und 345 GHz untersucht. Ein variabler Kurzschlußschieber und
ein E-Plane- Tuner im Mischerblock gestatteten dabei eine Impedanzanpassung der
Mischerumgebung. Die Zwischenfrequenz betrug 1.4 G Hz. Die Mischerrauschtemperatur im
Doppelseitenband (DSB) und die Konversionseffizienz wurden anhand der Hot/Cold-Methode
bestimmt. Es wurde beobachtet, daß die Rauschtemperatur stark von der Impedanzumgebung
des Mischers abhängig war. Die niedrigsten Rauschtemperaturen wurden im Zusammenhang
der Erscheinung und Ausprägung einer subharmonischen Stufe zwischen der nullten und
ersten Shapiro-Stufe gemessen. Der physikalische Hintergrund dieser Erscheinung und deren
Einfluß auf die Rauschtemperatur wird diskutiert. Bei einer Arbeits-temperatur von T=20 K
wurde eine niedrigste DSB-Rauschtemperatur des Mischers von 1003 K bei einer Mischer-
Konversionseffizienz von -0,8 dB gemessen. Es konnte weiterhin gezeigt werden, daß die
Konversionseffizienz nicht nur vom dynamischen Widerstand im Arbeitspunkt selber sondern
auch in dessen Umgebung abhängt. Der Einfluß des thermischen Rauschens auf die
Mischerrauschtemperatur wurde im Detail untersucht und anhand der physikalischen
Hintergründe erläutert. Messungen der relativen Heterodynresponse zeigten verschiedene
Sättigungseffekte. Die Ursachen und Möglichkeiten der Unterdrückung dieser Effekte werden
diskutiert.
Josephson junctions made from high temperature superconductors (HTS) are active high
frequency devices which can be used as oscillators or frequency mixers in the submillimeter-
wave region. The frequencies of these electromagnetic waves range from 300 GHz up to
3 THz. Up to now, this wave band is a relatively unexploited region of the electromagnetic
spectrum because it is very difficult to produce and detect submillimeter-waves. However ,
submillimeter-wave technologies are becoming important in many practical scientific
applications such as radio astronomy, atmospheric research, plasma diagnostics and THz-
imaging, recently.
In this work, the behaviour HTS Josephson junctions have been investigated experimentally
and theoretically with the aim to THz-applications. In the first part the behaviour of intrinsic
Josephson junction stacks are measured. and the possibility of phase locking is discussed by
the theoretical analysis of two different shunt technologies depending on the parameter spread
of the junction and the shunt parameters. It could be shown that stacks made from sputtered
BSCCO layers does not act as intrinsic Josephson junction arrays because of their many micro
shorts resulting from the layer growth. However, the stacks made from sputtered TBCCO
show clear intrinsic Josephson junction behaviour. But their quasiparticle branches in the
current-voltage characteristic deviate from the behaviour predicted by the common used RCSJ
model. These branches can be discussed within a tunneling model using d-wave
superconductor density of states. A temperature dependent current distribution and a zero bias
anomaly was found. Furthermore, the coherent behaviour is studied for intrinsic arrays with
additional side-wall shunts. The existence of thresholds of phase locking at especial junction
and shunt parameters are demonstrated and discussed in regard to THz-oscillator applications.
It was found that the Josephson junctions in a stack can be phase locked even if they have a
parameter spread in the critical current up to 15% using a resonant shunt.
In the second part of this work the mixing properties of HTS bicrystal Josephson junctions as
wave guide mixers for 115 and 345 GHz have been investigated. A variable backshort and E-
plane tuner in the mixer block allowed to control the impedance matching between the
junction and the rf-environment. The intermediate frequency were 1.4 GHz. The double-side
band (DSB) mixer noise temperature and the conversion efficiency were determined using the
hot/cold method. It was observed that the noise temperature was strongly dependent on the
matching conditions. The lowest noise temperatures have been obtained for tuner positions
supporting the formation of a subharmonic step which appeared between the zeroth and first
Shapiro step. The physical background of the appearance of this feature and their influence to
the noise temperature is discussed. At an operating temperature of T=20 K a lowest DSB
mixer noise temperature of 1003 K and a mixer conversion efficiency of -0.8 dB was
obtained. It could be shown that the conversion efficiency depends not only from the dynamic
resistance in the operating point itself but also from the dynamical resistance of its
neighbourhood. The thermal noise dependence of the noise temperature was investigated in
detail and is explained by the physical background. Different saturation effects have been
found by measuring the relative heterodyne response. The reasons and possibilities to
suppress these saturation effects are discussed.
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