[论文解读] RF heating efficiency of the terahertz superconducting hot-electron bolometer

S. N. Maslennikov|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2014

Superconducting and THz Device Technology被引用 3

一句话总结

本文采用欧拉法求解一组递推热平衡方程，对太赫兹超导热电子混频器（HEBs）中的射频加热效率进行了数值模拟。通过引入与频率相关的射频加热效率和吸收本振功率，该方法准确预测了变频增益和噪声温度，与NbN基HEB混频器在1.5 GHz下的实验数据高度一致。

ABSTRACT

We report results of the numerical solution by the Euler method of the system of heat balance equations written in recurrent form for the superconducting hot-electron bolometer (HEB) embedded in an electrical circuit. By taking into account the dependence of the HEB resistance on the transport current we have been able to calculate rigorously the RF heating efficiency, absorbed local oscillator (LO) power and conversion gain of the HEB mixer. We show that the calculated conversion gain is in excellent agreement with the experimental results, and that the substitution of the calculated RF heating efficiency and absorbed LO power into the expressions for the conversion gain and noise temperature given by the analytical small-signal model of the HEB yields excellent agreement with the corresponding measured values.

研究动机与目标

• 解决超导HEB的分布模型（DM）与实验测得的变频增益和噪声温度之间长期存在的不一致性。
• 开发一种严格的数值方法，用于计算HEB的射频加热效率，这对于准确预测混频器性能至关重要。
• 通过将预测的变频增益和噪声温度与1.5 GHz下的实验测量值进行比较，验证模拟结果。
• 证明将欧拉法应用于分布热平衡模型能够准确捕捉NbN HEB的非线性热学与电学行为。
• 确认当使用自洽计算的射频加热效率和吸收本振功率时，HEB的小信号解析模型具有有效性。

提出的方法

• 使用欧拉法在时间和空间上对HEB每个空间单元的递推热平衡方程组进行数值求解。
• 将HEB建模为具有空间分辨的电子温度和声子温度、电阻率及热导率的分布系统。
• 通过BCS理论引入HEB的电流依赖电阻，无需对电子比热或热导率进行经验近似。
• 同时求解电子温度、声子温度以及电子-声子耦合、热扩散和基底冷却引起的热流。
• 通过时间与频率相关的输入信号，将射频加热效率计算为HEB电阻对吸收射频功率的导数。
• 通过将模拟的变频增益和噪声温度与P. Khosropanah在1.5 GHz下的实验数据对比，验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过精确计算射频加热效率，能否使HEB的分布模型与实验测得的变频增益和噪声温度保持一致？
• RQ2 在低中频下，NbN HEB的正确射频加热效率值是多少？其与标准分布模型预测的值相比如何？
• RQ3 将欧拉法应用于一组递推热平衡方程，是否能提供一种可靠且自洽的HEB性能模拟框架？
• RQ4 当使用数值计算的射频加热效率和吸收本振功率时，HEB变频增益的小信号解析模型表现如何？
• RQ5 HEB的物理参数（长度、宽度、厚度、材料特性）对其射频加热效率和混频器性能有何影响？

主要发现

• 在2 GHz时计算得到的射频加热效率约为51 mΩ/nW，相位滞后为-0.24π，表明其具有显著的频率依赖性。
• 在1.5 GHz时模拟的变频增益为-10.7 dB，与最优偏置电压0.8 mV下实验测得的-10.4 dB值非常接近。
• 当使用数值计算的射频加热效率时，解析的小信号模型预测的变频增益为-8.6 dB，与实测值相差仅1.7 dB，表明具有高度一致性。
• 对于0.4 µm × 4 µm × 5 nm的NbN HEB，其在低中频下的最优射频加热效率为76 mΩ/nW。
• 模拟结果证实了NbN电子扩散常数0.45 cm²/s的有效性，以及电子-声子耦合时间的测量温度依赖性。
• 该方法无需经验拟合即可成功预测吸收本振功率和射频加热效率，从而能够准确预测HEB混频器的关键特性。