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Elektrisches Schaltelement, das den quantenmechanischen Tunneleffekt ausnutzt
Die quantenmechanische TUI1nelsteuerung von Elektronen durch eine Potentialschwelle hat sich als vorteilhaft für die Steuerung des einen Festkörper durchfliessenden elektrischen Stroms erwiesen. Weiterhin wurde bekannt, diese Eigenschaft in Verbindung mit Kryotron-und bestimmten Halbleitereigenschaf- ten auszunutzen. Bei diesen Vorrichtungen erfolgt eine elektronische Tunnelsteuerung durch eine isolierende Sperrschicht hindurch, welche zwei Kryotronelektroden trennt.
In den bekannten Vorrichtungen dieser Art kann die Änderung des Leitfähigkeitszustandes ohne zu grosse Verzögerung erfolgen, wobei der Stromfluss durch die Kryotroneigenschaften der Elektroden innerhalb eines eng begrenzten Bereiches gesteuert wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein elektrisches Schaltelement bereitzustellen, bei dem der durchfliessende Strom innerhalb eines grösseren Bereiches als bisher gesteuert werden kann und Steuermöglichkeiten auf verschiedenste Art und Weise gegeben sind.
Die Erfindung geht demnach aus von einem elektrischen Schaltelement, bei dem der quantenmechanische Tunneleffekt auf einem Stromfluss von einer metallisch leitenden Elektrode über eine Potentialschwellenschicht für Steuerungszwecke ausgenutzt wird, und besteht darin, dass die Potentialschwellenschicht eine ferromagnetische Schicht als Gegenelektrode besitzt. Das Schaltelement nach der Erfindung nutzt den quantenmechanischen Tunneleffekt auf dem Elektronenfluss durch eine isolierende Potentialschwellenschicht als Stromleitungsmechanismus aus und besitzt eine Elektrode mit der Eigenschaft, dass an das Fermi-Niveau angrenzende Energiezustände sofort zur Verfügung stehen, und eine weitere Elektrode aus ferromagnetischem Material.
Das elektrische Schaltelement nach der Erfindung hat die Eigenschaft, dass der mit hoher Geschwindigkeit wirksame quantenmechanische Tunnelstrommechanismus dem Einfluss sowohl des magnetischen Zustandes der ferromagnetischen Elektrode als auch der Temperatur ausgesetzt ist und damit sehr vielseitig angewendet werden kann, wobei gleichzeitig die Geschwindigkeit des Tunnelmechanismus voll ausgenutzt wird. Der Aufbau des Schaltelements ist äusserst einfach.
Die Steuerung des elektrischen Schaltelements erfolgt also mit Hilfe des quantenmechanischen Tun- nelmechanismus. der sowohl durch magnetische als auch durch Temperatureigenschaften beeinflusst werden kann, so dass sich sowohl eine magnetisch empfindliche Schaltungsvorrichtung mit quantenmechanischer Tunnelsteuerung als auch eine temperaturabhängige Schaltungsvorrichtung mit quantenmechanischer Tunnelsteuerung ergibt.
Das Schaltelement gemäss der Erfindung erlaubt eine hohe Schaltgeschwindigkeit und vielseitige Steuerungsmöglichkeiten bei kleinsten räumlichen Abmessungen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 die Struktur des Schaltelements nach der Erfindung. Fig. 2 eine graphische Darstellung der Wahrscheinlichkeitsgrenzen einer Tunnelbildung durch eine Potentialschwelle hindurch. Fig. 3 ein Energiediagramm einer Tutnelvorrichtung mit einer Schwelle zwischen zwei Metallen. Fig. 4 ein Diagramm, das den Unterschied im Tunnelstrom für verschiedene Stromrichtungen im erfindungsgemässen Bauelement darstellt. Fig. 5 ein Diagramm eines in Fig. 3 gezeigten Kontaktpotentials. Fig. 6 ein Stromdichte-Spannungsdiagramm für ein Schaltelement aus Aluminium, Aluminiumoxyd, Nickel gemäss der Erfindung.
Fig. 7 den Einfluss von Temperatur und magnetischem Feld auf das erfindungsgemässe Schaltelement.
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Elektronenenergiezustände, die an das Fermi-Niveau angrenzen, unmittelbar zur Verfügung stellen kann.
Die Elektrode 1 besteht im allgemeinen aus einem Metall, z. B. Aluminium, kann aber auch aus vielen andern Materialien bestehen, die die oben genannten Bedingungen erfüllen, wie z. B. entartetes Halbleitermaterial.
An die Elektrode 1 grenzt eine Potentialschwelle 2. Die Potentialschwelle 2 kann durch eine Raumladung bedingt sein. Die Schwelle 2 ist schematisch in Fig. 1 selbständig dargestellt, obgleich ihr Vorhandensein von ausschlaggebender Bedeutung ist. Die Ausbildung einer Potentialschwelle 2 kann durch Verwendung eines beliebigen Isoliermaterials oder ziemlich reinen Halbleitermaterials begünstigt werden, das einen verbotenen Energiebereich besitzt. Die Bemessung der Stärke "d" in Fig. 1 richtet sich danach, dass für die Wahrscheinlichkeit der Tunnelbildung ein brauchbarer Wert resultiert, wie es weiter unten beschrieben wird. Die Potentialschwelle 2 kann auch durch ein Kontaktpotential gebildet sein, das infolge Raumladung eine Potentialschwelle aufbaut. Auch dafür gibt es viele Materialien und Anordnungen, die diese Bedingungen erfüllen.
Ein geeignetes Potentialschwellenmaterial für eine Aluminiumelektrode, wie sie oben beschrieben ist, ist Aluminiumoxyd (Al20), das auf die Aluminiumelektrode 1 in einer Stärke "d" von etwa 20 bis 30 aufgebracht wird, wodurch ein brauchbarer Wert für die Wahrscheinlichkeit der Tunnelbildung gegeben ist. Die die Stärke "d" bestimmenden Faktoren werden noch genauer besprochen, aber für praktische Zwecke kann angenommen werden, dass die Stärke "d" zwischen etwa 20 und 30 Ä liegen muss.
Auf die Potentialschwelle 2 ist eine Elektrode 3 aus ferromagnetischem Material aufgebracht. Ferromagnetisches Material weist Magnetisierungseigenschaften wie das Element Esen auf, z. B. Nickel, Eisen, Kobalt und die ferromagnetischen Legierungen wie Nickeleisen. Die ferromagnetische Elektrode 3 soll eine remanente Hysteresekurve besitzen und kann in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden, deren Stärke annähernd der eines magnetischen Weiss'sehen Bezirks entspricht. Die elektrischen Anschlüsse 4 und 5 an die Elektroden 3 und 1 werden in der üblichen Weise angebracht.
In der Vorrichtung nach Fig. 1 besitzen beide Elektroden 3 und 1 Elektronen, deren Energiezustand etwa dem des Fermi-Niveaus entspricht. Die Elektroden sind durch eine Potentialschwelle 2 so getrennt, dass sich beim Anlegen einer Vorspannung an die Elektroden 3 und 1 durch ihren Einfluss die Energiezustände überschneiden, was wesentlich ist, um den Tunneleffekt wirksam werden zu lassen. Es stellte sich heraus, dass die Vorrichtung nach der Erfindung auf Änderungen eines angelegten magnetischen Feldes und der Temperatur anspricht, wobei diese Wirkungen in einem Temperaturbereich auftreten, der auch bei den meisten Kryotronmaterialien vorliegt, d. h. im Temperaturbereich unterhalb der Temperatur des flüssigen Heliums.
Wenn die ferromagnetische Elektrode 3 aus einer dünnen Schicht eines Materials mit remanenter Hystereseschleife besteht und in ihrer Stärke d" etwa einem magnetischen Weiss'schen Bezirk entspricht, dann wird ausserdem der Tunnelstrom, da in ihm Elektronen-Spins eines Vorzeichens überwiegen, wirksamer mit dem Material gekoppelt. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung in Schaltvorrichtungen.
Da die Potentialschwellenstromcharakteristik von dem Magnetisierungszustand der ferromagnetischen Elektrode 3 abhängig ist, kann ausserdem infolge der vorteilhaften Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes die Vorrichtung zum Abfühlen des Zustandes eines magnetischen Elementes verwendet werden, indem das Potentialschwellenmaterial 2 und die leitende Elektrode 1 in Form von Schichten auf das magnetische Element aufgetragen werden oder umgekehrt. Wenn bei dem magnetischen Element 3 das magnetische Be- reichswand-Umschalten des Durchgangs durch eine Bereichswand-Bloch-Wand-angrenzend an den Sperrschichtkontakt stattfindet, wird hiedurch der Tunnelstrom beeinflusst.
Vorstehend ist der äussere Aufbau eines äusserst vielseitigen elektrischen Festkörper-Schaltelements für hohe Schaltgeschwindigkeit beschrieben worden, in welchem der Leitungsmechanismus eine hohe Eigengeschwindigkeit zulässt und die Steuerung des Leitungsmechanismus in gegenseitiger Abhängigkeit aber magnetische und temperaturabhängige Eigenschaften erfolgt und wobei der Zustand des Elements auf verschiedene Art und Weise abgefühlt werden kann. Weiterhin ergibt sich, dass durch die Eigenart der runnelstromsteuerung in der Potentialschwelle der Strom wirksammitder ferromagnetischen Elektrode gekoppelt wird und der magnetische Remanenzzustand der ferromagnetischen Elektrode mit Hilfe dieses Stromes gesteuert werden kann.
Das Schaltelement nach der Erfindung wird durch aufeinanderfolgende Metallaufdampfungen und-oxydationen hergestellt. Die Abmessungen, die entsprechenden Reihenwiderstände und Ströme sind entsprechend den grossen Packdichten der zur Zeit erforschten)'1ikroschalungselemente ziemlich klein. Als
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typisches Beispiel kann die erfindungsgemäbe Vorrichtung nach Fig. 1 durch das Aufdampfen im Vakuum einer Aluminiumschicht 1 auf eine Unterlage, z. B. Glas, hergestellt werden. Dann wird Jag Aluminium zur Bildung des Potentialschwellenmaterials einige Minuten lang bei Zimmertemperatur in Luft oxydiert, und danach wird die ferromagnetische Schicht 3 aus Nickel aufgedampft.
Die Stärke der die Aluminiumschicht 1 und die Nickelschicht 3 trennenden Oxydschicht zur Erreichung einer hohen Wahrscheinlichkeit der Tunnelbildung beträgt vorzugsweise 20-30 Ä-Einheiten. Die wirksame Fläche der Vorrichtung nach der Erfindung beträgt etwa 0,13 mm x 0, 13 mm.
Die Empfindlichkeit des erfindungsgemässen Bauelements gegenüber magnetischen Feldern lässt sich durch Wärmebehandlung verändern. Sie wird verbessert, indem die Vorrichtung über 1 h lang auf über Zimmertemperatur erwärmt wird.
Um die praktische Anwendung der Vorrichtung gemäss der Erfindung zu erleichtern und um dem Fachmann bei Anwendung dieser Technologie einen Anhaltspunkt zu geben, wird nachstehend der Tunnelmechanismus für die Bedingung, dass die besondere Potentialschwelleruchicht einen hohen spezifischen Widerstand besitzt, besprochen.
In der erfindungsgemässen Vorrichtung kann die Wahrscheinlichkeit der Tunnelsteuerung über eine dünne Potentialschwellenschicht hinweg von einer Elektrode zu einer andern für ein Elektron der Energie E durch die folgende Formel ausgedrückt werden :
Gleichung l :
EMI3.1
EMI3.2
EMI3.3
Darin ist q die Elementarladung.
Dies trifft zu für dieBedingungW V + $, und dass der Strom der angelegten Spannung in etwa proportional ist.
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EMI4.1
EMI4.2
EMI4.3
EMI4.4
EMI4.5
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:Übergang von negativen zu positiven Spannungsänderungen tritt in der Nähe der Sättigung des magnetischen Materials ein.
Die vorstehenden Erläuterungen in bezug auf die Wahrscheinlichkeit der Tunnelbildung beruhen auf bestimmten Annahmen, z. B. einer gleichförmigen Potentialschwelle zwischen Metall und Isolator. Aus den Gleichungen 3,4 und 5 ergibt sich, dass eine kleine Änderung in der Stärke"d"zu einer grösseren Änderung im Tunnelstrom führt. Praktisch können allerdings ungleichförmige Schichten vorhanden sein, die unter Umständen dazu führen, dass die Tunnelwirkung nur In einem Bruchteil der Gesamtfläche stattfinden kann.
PATENTANSPRÜCHE : l. Elektrisches Schaltelement, bei dem der quantenmechanische Tunneleffekt auf einem Stromfluss von einer metallisch leitenden Elektrode über eine Potentialschwellenschicht für Steuerungszwecke ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialschwellenschicht eine ferromagnetische Schicht als Gegenelektrode besitzt.