DE1167386B - Cryoelektrisches Bauelement - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 03 k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

R 31705 VIII a/21 al
15. Dezember 1961
9. April 1964

Die Erfindung betrifft cryoelektrische Bauelemente und supraleitende Schichten.

Supraleitende Schichten besitzen eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, die ihre Anwendung in cryoelektrischen Rechenanlagen und anderen Schaltungsanordnungen interessant macht. Derartige Schichten verursachen geringe Leistungsverluste, sind klein und erlauben verhältnismäßig hohe Schaltgeschwindigkeiten und können außerdem in einfachen und dementsprechend billigen Schaltungsanordnungen verwendet werden. Trotz dieser Vorzüge konnten sich solche Schichten jedoch bisher nicht kommerziell durchsetzen. Ein Grund hierfür sind ihre ungleichmäßigen Schalteigenschaften. Es hat sich gezeigt, daß die induzierten oder zugeführten Ströme, die erforderlieh sind, um ein magnetisches Schichtelement in einer Anordnung solcher Elemente zu schalten, von EIe^- ment zu Element der Anordnung beträchtliche Unterschiede aufweisen können. Sogar unter in hohem Maße geregelten Laboratoriumsbedingungen ergaben sich Variationen bis zu 300 %, und eine Gleichförmigkeit von Element zu Element in der Größenordnung von 10% ist sehr schwer zu erreichen. Diese außergewöhnlichen Unterschiede komplizieren die Steuersohaltungen ungebührlich und beschränken außerdem die Anzahl der in einer Matrix verwendbaren Elemente.

Durch die Erfindung sollen daher cryoelektrische Einrichtungen mit supraleitenden Schichten angegeben werden, die sehr gleichförmige Schalteigenschäften besitzen.

Ein cryoelektrisches Bauelement mit einem Leiter, der zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umschaltbar ist, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement zwei parallele Supraleiterschichten oder -schichtteile, die im Betriebsbereich die gleiche Abhängigkeit der kritischen Stromdichte von der Temperatur aufweisen, enthält, die durch eine nichtsupraleitende Mittelschicht oder -schichtteil getrennt sind und zusammen vom einen Leitfähigkeitszustand in den anderen schaltbar sind.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung bestehen die äußeren Supraleiterschichten aus Zinn und eine nichtsupraleitende Mittelschicht aus Siliziummonoxyd; die Erfindung ist natürlich nicht auf diese spezielle Stoffkombination beschränkt. Die beiden Außenschichten schalten als Einheit. Die drei Schichten können zusammen ziemlich dünn sein und eine Dicke in der Größenordnung von 3000 Ä oder weniger besitzen. Die Schichtstraktur ist mehr als eine Größenordnung gleichförmiger, verglichen mit den Cryoelektrisches Bauelement

Anmelder:

Radio Corporation of America, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Leslie Lewis Burns jun., Princeton, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 19. Dezember 1960

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Schalteigenschaften der bekannten Supraleiterschichten, und stellt dadurch einen entscheidenden Beitrag zur Lösung der Zuverlässigkeits- und Reproduzierbarkeitsprobleme von Schaltungsanordnungen mit dünnen Supraleiterschichten dar.

In den Zeichnungen bedeutet

Fig. 1 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer üblichen supraleitenden Schicht; bei dieser Abbildung wurde die bei Schnittansichten sonst übliche Schraffierung weggelassen,

F i g. 2 einen vergrößerten Querschnitt einer Supraleiterschicht nach der Erfindung,

F i g. 3 a bis 3 d Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Speicherzelle mit Supraleiterschichten,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Speicheranordnung mit Supraleiterschichten,

Fig. 5 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Darstellung eines Supraleiterschichtspeichers,

F i g. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teiles des in Fig. 5 dargestellten Speichers, an dem sich eine x-, y- und Geberwicklung kreuzen,

F i g. 7 und 8 eine Querschnitts- bzw. Grandrißansicht eines bekannten, aus dünnen Schichten aufgebauten Cryotrons und

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines aus dünnen Schichten aufgebauten Cryotrons nach der Erfindung.

In den Zeichnungen tragen gleiche Elemente jeweils gleiche Bezugszeichen. Im Betrieb werden die verschiedenen zur Diskussion stehenden Schichten auf

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einer niedrigen Temperatur in der Größenordnung sich nicht um die Fehler herum konzentrieren. Die in einiger Grad Kelvin gehalten, so daß eine Supralei- F i g. 2 dargestellte dreilagige Schichtanordnung wirkt tang möglich ist. daher wie eine einzige ideale supraleitende Schicht, In vielen Gebieten der Digitalrechnertechnik ist es d. h. eine Schicht ohne jeden Fehler. Gleichgültig, erforderlich, eine supraleitende Schicht, wie sie in 5 ob die angegebene Theorie in der Praxis wirklich zu-F i g. 1 dargestellt ist, vom normalleitenden in den trifft oder nicht, hat es sich erwiesen, daß die gemäß supraleitenden Zustand und zurück zu schalten. Der der Erfindung aufgebauten Schichtanordnungen sehr Schaltvorgang kann durch einen der Schicht züge- genau reproduzierbare Schalteigenschaften zeigen, führten Strom bewirkt werden. Der Strom kann auch Die Gesamtdicke der Schichtanordnung, wie sie in einer Wicklung zugeführt werden, die der Schicht io F i g. 2 dargestellt ist, braucht nicht wesentlich größer nahe benachbart ist, so daß der Strom in der Wick- zu sein als die einer Einzelschicht. Es wurden beilung ein Magnetfeld erzeugt, das in der Schicht einen spielsweise Speicheranordnungen, die später noch Strom induziert. Der Übergang vom supraleitenden in näher beschrieben werden sollen, gebaut, die im beden normalleitenden Zustand tritt bei einer bestimm- kannten Falle Schichtflächen einer Dicke von 8000 A ten kritischen Stromdichte in der Schicht ein. 15 erforderten und nun eine dreilagige Schichtanordnung Man nimmt an, daß ein ungleichmäßiges Schalten enthalten, in der die Zinnschichten entsprechend den von supraleitenden Schichten durch Unvollkommen- Schichten 16, 18 in F i g. 2 eine Dicke von 1500 Ä heiten in der Schicht verursacht werden. Derartige und die aus Siliziummonoxyd bestehende Mittel-Unvollkommenheiten oder Fehler können, wie Fig. 1 schicht eine Dicke von 1000 A besitzen, so daß sich zeigt, aus Löchern oder Poren 10 oder aus Fremd- 20 eine Gesamtdicke von 4000 A für die Schichtstruktur körpereinschlüssen 12,14 bestehen. Derartige Unvoll- ergibt. Die Anordnung läßt sich sehr leicht herstellen, kommenheiten führen wahrscheinlich zu unerwünsch- Der ganze Herstellungsprozeß verläuft im Vakuum ten Ladungsträgerkonzentrationen, die in Fig. 1 bei einem Druck in der Größenordnung von 10~⁵ Torr durch die punktierten Flächen versinnbildlicht sind oder weniger. Zwischen dem Aufdampfen der ver- und in denen die kritische Stromdichte der Schicht 35 schiedenen Schichten braucht das Vakuum nicht aufverfrüht erreicht wird. Die Stromverteilung in den gehoben werden.

einzelnen Bereichen der Schicht hängt von der Anzahl Für die Erfindung ergeben sich viele Anwendungsder Fehler in dem betreffenden Bereich und deren möglichkeiten. Zwei spezielle sollen im folgenden beAnordnung ab. Diese Parameter ändern sich sowohl schrieben werden. Das erste Anwendungsbeispiel ist von Schicht zu Schicht als auch von Bereich zu Be- 30 ein Datenspeicher mit dünnen Supraleiterschichten, reich innerhalb einer Schicht. Die zum Schalten er- und das zweite ist ein mit dünnen Schichten arbeitenforderliche Stromstärke ändert sich daher sowohl von des Cryotron.

Schicht zu Schicht als auch von Bereich zu Bereich Die Arbeitsweise eines Supraleiterschicht-Magnetderselben Schicht in unregelmäßiger und nicht voraus- Speichers soll an Hand der F i g. 3 a bis 3 d erläutert bestimmbarer Weise. Auch wenn das Aufdampfen 35 werden. Das Element 22 in Fig. 3a und 3b ist ein einer supraleitenden Schicht im Vakuum mit äußerster Teil einer Schichtebene, in der zirkulierende Dauer-Sorgfalt durchgeführt wird, ist es schwierig, Schichten ströme gespeichert werden. Gemäß der Erfindung beherzustellen, bei denen die Schalteigenschaften von steht die Schicht 22 aus drei Lagen entsprechend Bereich zu Bereich derselben Schicht in der Größen- F i g. 2, in der Zeichnung ist der Einfachheit halber Ordnung von 10% gleichförmig sind. 40 jedoch nur eine Einzelschicht dargestellt. Die EIe-

F ig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. mente 24 und 26 sind dünnschichtige Wicklungen, die Hier treten an die Stelle der in Fig. 1 dargestellten im folgenden als y- bzw. ^-Wicklung bezeichnet wer-Einzelschicht zwei Supraleiterschichten 16, 18. Die den sollen. Die dritte Wicklung 28 des Speichers ist Schichten werden im Abstand voneinander durch eine eine Wahrnehmungs oder Geberwicklung, nichtsupraleitende Schicht 20 gehalten. Die Schicht 20 45 Wenn der x- und y-Wicklung Ströme i_x bzw. i_y in kann aus einem Isolator-, einem Halbleiter- oder den in Fig. 3b dargestellten Richtungen zugeführt einem Leiterwerkstoff bestehen. Ein besonders gut werden, entstehen Magnetfelder, die die einzelnen geeigneter Werkstoff ist Siliziummonoxyd. Auf andere Wicklungen umgeben. Das Magnetfeld ist, wie F i g. 3 b geeignete Werkstoffe wird weiter unten eingegangen zeigt, in die Papierebene hinein und aus dieser heraus werden. Es hat sich gezeigt, daß die Schalteigen- 50 gerichtet. Die Richtung des Magnetfeldes in die schäften der in Fig. 2 dargestellten Struktur um Papierebene hinein ist durch ein Kreuz und die Richweniger als ¹A % schwanken. Die Gleichförmigkeit rung aus der Papierebene heraus durch einen Punkt des Schaltens kann in Wirklichkeit sogar noch besser dargestellt. In den Bereichen 30, 32 sind die Magnetsein, da der angegebene Wert von ¹A % die Genauig- f elder H_x und H_y der x- bzw. y-Wicklung einander keit der Meßapparatur war, die zur Prüfung der 55 entgegengerichtet und heben sich auf. In den Be-Schalteigenschaften verwendet wurde. reichen 34, 36 sind die von der x- und y-Wicklung

Die Arbeitsweise der Filmanordnung gemäß der erzeugten Magnetfelder gleichgerichtet und addieren

Erfindung kann durch die folgende Theorie erläutert sich.

werden: Jede einzelne der in Fig. 2 dargestellten Beim Betrieb der in F ig. 3 b dargestellten Speicher-Supraleiterschichten 16,18 enthält Fehler, ebenso wie 60 zelle besitzen die der x- und y-Wicklung gleichzeitig die in Fig. 1 dargestellte Schicht. Die Fehler sind zugeführten Ströme eine ausreichende Amplitude, um jedoch statistisch angeordnet, und es ist ziemlich un- zusammen ein Magnetfeld erzeugen zu können, das wahrscheinlich, daß sich ein Fehler in einer Schicht das kritische Feld des Supraleiters in den Bereichen genau mit einem Fehler in der anderen Schicht deckt. oder Schichtteilen 34, 36 übersteigt. Diese Bereiche Die induzierten oder zugeführten Ladungsträger in 65 schalten daher vom supraleitenden Zustand in den den Schichten stoßen sich anscheinend gegenseitig ab, normalleitenden Zustand, wie in Fig. 3c schraffiert und diese Abstoßungskräfte bewirken, daß sich die dargestellt ist. Das Magnetfeld durchdringt nun den Träger gleichförmig in den Schichten verteilen und Supraleiterwerkstoff, der im supraleitenden Zustand

der Schicht 22 wie eine magnetische Abschirmung wirkt, und induziert in den die Bereiche 34, 36 umgebenden supraleitenden Bereichen der Schicht 22 dauernd kreisende Ströme.

Wenn die Steuerströme in den Steuerdrähten 24, 26 auf Null abfallen, bricht das die Wicklungen umgebende Magnetfeld zusammen, im Supraleiter bleibt jedoch ein dauernd fließender Strom bestehen, der in den in Fig. 3 d durch gekrümmte Pfeile angedeuteten Richtungen kreist. Es kann willkürlich festgelegt werden, daß Dauerströme dieser Richtungen die Speicherung der binären Ziffer 1 bedeuten. Wenn die Polarität der Steuerströme i_x und i_y umgekehrt wird, kreisen die induzierten Dauerströme in der umgekehrten Richtung. Dieser Zustand soll willkürlich die Speicherung der Binärziffer 0 bedeuten.

F i g. 4 zeigt schematisch einen Datenspeicher mit dünnen Supraleiterschichten und Speicherzellen der in F i g. 3 dargestellten Art. Er enthält eine Anzahl von ^-Drähten 40 und eine Anzahl von y-Drähten 42, die voneinander isoliert sind und sich kreuzen. Unterhalb der x- und y-Drähte befindet sich eine durchgehende Supraleiterspeicherschicht 44. Bei einem Speicher gemäß der Erfindung besteht die Schicht 44 aus einer dreilagigen Anordnung, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Unterhalb der Schicht 44 verläuft eine Geberwicklung 46, die an jedem Kreuzungspunkt zwischen einem x- und y-Draht vorbeiläuft.

Im Betrieb wird auf einem Speicherplatz, beispielsweise dem Speicherplatz 48, eine binäre 1 dadurch gespeichert, daß den Treiberdrähten 40-1 und 42-1 gleichzeitig Ströme einer bestimmten Polarität zugeführt werden. Hierdurch werden in der beschriebenen Weise Kreisströme induziert. Eine binäre 0 wird durch Ströme entgegengesetzter Polarität gespeichert. Die gespeicherten Ziffern können herausgelesen werden, indem den sich im Speicherplatz 48 kreuzenden Drähten 42-1 und 40-1 Abfrageströme zugeführt werden. Die Abfrageströme werden in einer bestimmten Richtung zugeführt. Die Abfrageströme können beispielsweise in derselben Richtung zugeführt werden wie bei der Speicherung einer 1. Wenn auf dem betreffenden Speicherplatz bereits eine 1 gespeichert ist, induzieren die Abfrageströme an dem betreffenden Speicherplatz Ströme, die den zirkulierenden Strömen entgegengerichtet sind. Der Speicherplatz bleibt im supraleitenden Zustand, und das von den Abfrageströmen erzeugte Magnetfeld kann die Schicht 22 nicht durchdringen. In der Geberwicklung wird daher kein Impuls induziert. Wenn die Abfrageströme wieder abgeschaltet werden, steigen die kreisenden Ströme wieder auf den ursprünglichen Wert an, und die gespeicherte 1 bleibt erhalten.

Wenn in dem Speicherplatz anfänglich eine 0 gespeichert worden war und Abfrageströme in der einer 1 entsprechenden Richtung zugeführt werden, so wird in der Geberwicklung ein Ausgangsimpuls erzeugt. Der in dem Speicherplatz durch den Abfrageimpuls induzierte Strom hat anfänglich dieselbe Richtung wie die zirkulierenden Ströme. Die Summe des induzierten Stromes und des zirkulierenden Stromes übersteigt den kritischen Stromwert der Schicht 22, und diese wird normalleitend, so daß das Magnetfeld der Abfrageströme die Schicht durchdringen und einen Stromimpuls in der Geberwicklung induzieren kann. Wenn die Abfrageimpulse aufhören, kreisen in der Schicht bei dem entsprechenden Speicherplatz wieder Dauerströme, deren Richtung jedoch der ursprünglichen Stromrichtung entgegengesetzt ist und nun einer binären 1 entspricht.

F i g. 5 zeigt eine praktische Speicherkonstruktion mit einer Matrix von Zellen der in F i g. 3 dargestellten Art, ein Teil dieses Speichers ist in F i g. 6 im Schnitt dargestellt. Der Aufbau des in Fig. 5 dargestellten Speichers ergibt sich aus der Betrachtung der Figur. Er arbeitet genau so wie der in Fig. 4 dargestellte Speicher. Die Quadrate 44, 46 sind sogenannte leitende Flächen, beispielsweise Tröpfchen aus Zinn oder Blei auf der Unterlage, die einen Anschluß an andere Teile der Schaltungsanordnung ermöglichen. Die Anschlußflächen 48, 50 sind den x- bzw. y-Drähten gemeinsam und werden normalerweise an ein Bezugspotential wie Masse angeschlossen. Die Anschlußnächen 52, 54 gehören zu der Geberwicklung. Die zwei Zinnschichten der Speicherebene müssen nicht miteinander verbunden werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

ao sind sie jedoch an einem Rand oder in einer äußeren Schaltungsanordnung mit Masse verbunden.

Die in F i g. 5 dargestellte Speicheranordnung kann folgendermaßen hergestellt werden: Eine Unterlage 22, beispielsweise aus Glas, wird mit einer Anzahl von die verschiedenen aufzudampfenden Werkstoffe enthaltenden Schiffchen in einen Rezipienten eingebracht. Die Schiffchen sind in an sich bekannter Weise getrennt heizbar, die Heizvorrichtungen können außerhalb des Rezipienten gesteuert werden. Der Rezipient enthält ferner eine Anzahl von Masken und Vorrichtungen, um die Masken in eine genau definierte Lage bezüglich der gläsernen Trägerplatte zu bringen. Die Bewegung der Masken ist ebenfalls von außen steuerbar.

Nachdem alles Erforderliche in die Kammer eingebracht worden ist, wird diese auf etwa 10~⁶ Torr evakuiert. Dann wird das Blei enthaltende Schiffchen erhitzt, und auf die Trägerplatte 62 wird eine 3000 Ä dicke Bleischicht aufgedampft (s. Fig. 5 und 6). Als nächstes wird das Siliziummonoxyd enthaltende Schiffchen erhitzt, und eine 1500A dicke Siliziummonoxydschicht wird aufgedampft. Danach wird der Rezipient mit trockenem Stickstoff von Atmosphärendruck gefüllt, und der Stickstoff wird anschließend wieder abgepumpt. Nachdem der Druck wieder etwa 10~⁶ Torr erreicht hat, wird eine zweite 1500 A dicke Siliziummonoxydschicht 66 auf die erste Schicht 64 aufgedampft.

Daß zwei getrennte Siliziummonoxydschichten an Stelle einer einzigen, 3000 Ä dicken Schicht aufgedampft werden, hat folgenden Grund: Es hat sich ergeben, daß eine 3000 Ä dicke Einzelschicht aus Siliziummonoxyd immer Poren und Löcher hat. Anscheinend rühren diese von Einschlüssen des unter dem geringen Druck stehenden Restgases in der Siliziummonoxydschicht her. Diese Einschlüsse implodieren anscheinend, wenn die Siliziummonoxydschicht Atmosphärendruck ausgesetzt wird. Die Poren oder Löcher ermöglichen sonst den Durchtritt von Metallen der später aufgedampften Schichten. Dies ist höchst unerwünscht, da hierdurch ein Schluß zwischen Leiterschichten eintreten kann, die voneinander isoliert sein sollen. Es hat sich gezeigt, daß das beschriebene Verfahren isolierende Schichten liefert, die keine Poren besitzen, die durch die ganze Schicht reichen. Wahrscheinlich haben auch die dünnen Schichten 64 und 66 jeweils Poren, die Poren sind jedoch statistisch verteilt und decken sich nicht. Die folgende Metall-

schicht kann sich dadurch nicht durch die Poren erstrecken und einen Schluß mit der bereits aufgebrachten Metallschicht, hier der Schicht 60, machen.

Nach dem Aufdampfen der Schicht 66 wird eine Maske für die Geberwicklung vor der Schicht 66 angeordnet. Das Blei enthaltende Schiffchen wird dann wieder geheizt, und eine einschichtige Geberwicklung 68 (entsprechend der Wicklung 46 in F i g. 4), die 3000 Ä dick ist, wird durch die Maske auf die SiIiziummonoxydschicht 66 aufgedampft. Im Betrieb des Speichers befindet sich die Geberwicklung 68 immer im supraleitenden Zustand. Diese Wicklung kann daher einlagig ausgebildet sein. Da es nicht erforderlich ist, diese Wicklung zwischen dem normalleitenden und dem supraleitenden Zustand umzuschalten, können Fehler in der Wicklung keine unerwünschten Wirkungen auf die Arbeitsweise des Speichers haben.

Die Aufdampfmaske für die Geberwicklung wird nun ausgeschwenkt, und anschließend wird eine doppelte Sinziummonoxydschicht 70,72 in der beschriebenen Weise aufgedampft. Wie zuerst wird in den Rezipienten zwischen dem Aufbringen der Schichten 70 und 72 trockener Stickstoff unter Atmosphärendruck eingeführt und anschließend wieder abgepumpt.

Als nächstes wird die Speicherebene aufgedampft. Hierfür wird zuerst eine Zinnschicht 74 aufgedampft, auf die eine Siliziummonoxydschicht 76 und eine zweite Zinnschicht 78 folgen. Das Aufdampfen aller drei Schichten erfolgt im Vakuum, und es ist dabei nicht nötig, den Rezipienten zwischen dem Aufdampfen der Schichten 74, 76 und 78 zu belüften. Die Schichtdicken sind in F i g. 6- angegeben.

Der verbleibende Teil des Herstellungsprozesses ergibt sich aus der vorangegangenen Beschreibung. Es werden also als nächstes zwei Siliziumdioxydschichten 80, 82, die den Schichten 64, 66 entsprechen, aufgedampft. Mit Hufe einer Maske wird dann eine Bleischicht aufgedampft, die eine Anzahl von y-Drähten bildet, worauf zwei weitere Silizummonoxydschichten 84, 85 folgen, die wieder den Schichten 64, 66 entsprechen. Auf die oberste Schicht wird dann eine die x-Drähte bildende Bleischicht aufgedampft, und die ^-Drähte werden mit einer Einzelschicht 88 aus SiIiziummonoxyd bedeckt. Die Dicke der einzelnen Schichten ist in F i g. 6 angegeben.

Fig. 7 und 8 zeigt ein bekanntes Cryotron. Es enthält eine aus einer dünnen Supraleiterschicht bestehende Torwicklung 90, die teilweise von einer Isolierschicht 92 überzogen ist, und eine Steuerwicklung 94, die im rechten Winkel den isolierten Teil der Torwicklung kreuzt. Die Torwicklung 90 besteht aus Zinn und die Steuerwicklung 94 aus Blei. Im Betrieb fließt in der Torwicklung 90 ein Ruhestrom. Die Amplitude dieses Stromes kann durch einen der Steuerwicklung 94 zugeführten Stromimpuls momentan verringert werden. Die Wirkung des Stromimpulses besteht darin, daß er um die Wicklung 94 und in einem entsprechenden Bereich der Torwicklung 90 ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld induziert in der Torwicklung 90 einen Strom, der, wenn er sich dem durch die Torwicklung fließenden Ruhestrom addiert, größer ist als der kritische Stromwert der Torwicklung. Ein Teil der Torwicklung wird dadurch normalleitend. Hierdurch wird der Widerstand der Torwicklung plötzlich vergrößert, und der in ihr fließende Strom sinkt dementsprechend steil ab.

Fig. 9 zeigt ein verbessertes Cryotron gemäß der Erfindung im Schnitt. Der Teil 96 der Torwicklung, der zwischen dem normalleitenden und dem supraleitenden Zustand umgeschaltet werden muß, wird von zwei Schichten 98, 100 gebildet, die voneinander durch eine nichtsupraleitende Schicht 102 getrennt sind, die aus Siliziummonoxyd bestehen kann. Das Herstellungsverfahren entspricht genau dem des Speichers. Die Isolation 104 zwischen der Torwicklung und der Steuerwicklung wird dementsprechend in der beschriebenen Weise aus zwei Schichten 104 a, ίο 104 b gebildet. Es ist dadurch möglich, die Isolierschicht extrem dünn zu machen, so daß sich eine sehr gute Kopplung zwischen Tor- und Steuerwicklungen ergibt. Die Steuerwicklung 106 besteht aus einer einzelnen Schicht, da sie dauernd im supraleitenden Zustand arbeitet und Fehler in dieser Schicht die Arbeitsweise der Schaltung nicht beeinflussen.

Das in F i g. 9 dargestellte Cryotron arbeitet genau so wie die in Verbindung mit F i g. 7 und 8 beschriebene Anordnung. Im Grundriß entspricht das Cryotron nach der Erfindung F i g. 8. Der wichtige Vorzug des in Verbindung mit F i g. 9 beschriebenen Cryotrons besteht darin, daß die Schalteigenschaften von Cryotron zu Cryotron sehr gleichförmig sind. Außerdem kann die Isolierschicht sehr dünn gehalten werden, so daß eine sehr enge Kopplung zwischen Steuer- und Torwicklung möglich ist.

Für die vorliegende Erfindung eignen sich eine ganze Reihe von Werkstoffen. Die Supraleiterschichten 16, 18 in Fig. 2 können aus dem gleichen Werkstoff bestehen. Hierfür eignen sich Zinn, Blei, Niob oder andere Supraleiterwerkstoffe, die in Form dünner Schichten aufgebracht werden können, einschließlich Legierungen und Verbindungen. Die Schicht 20 in F i g. 2 kann ein Isolator, wie Siliziummonoxyd, Siliziumdioxyd, Magnesiumfluorid sein, oder irgendein anderer Isolator, der in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden kann. Für die Temperaturen, die zur Erreichung der Supraleitfähigkeit nötig sind, hat sich Siliziummonoxyd als besonders geeignet erwiesen, da es verhältnismäßig leicht aufgedampft werden kann und bei den vorkommenden Temperaturen nicht rissig wird. Das Element 20 kann auch ein Halbleiterwerkstoff, wie extrinsisches Germanium, oder eine Halbleiterverbindung sein.

Halbleiterwerkstoffe, wie extrinsisches oder dotiertes Germanium, die bei den vorkommenden Temperaturen in der Gegend von 4° K einen extrem hohen spezifischen Widerstand besitzen (für bestimmte Germaniumsorten in der Größenordnung von 10⁸ Ohm-cm) können in einem Supraleiterspeicher oder Cryotron als Isolierschichten verwendet werden. Diese Werkstoffe können für die Schichten 104 in F i g. 9 oder die Schicht 92 in F i g. 8 verwendet werden. Als dritte Alternative kann die Schicht 20 aus einem Metall wie Kupfer, Gold, Indium oder Silber oder auch einem Supraleiterwerkstoff bestehen, der im Normalzustand bleibt, wenn die beiden Außenschichten supraleitend sind.
Die Erfindung besteht also darin, an Stelle einer zwischen dem normal- und dem supraleitenden Zustand umzuschaltenden Einzelschicht zwei wenigstens zum größsten Teil voneinander isolierte Schichten zu verwenden, die elektrisch jedoch dieselbe Funktion erfüllen wie die Einzelschicht. Wenn die beiden Schichten Stromleiter bilden, sind sie daher parallel geschaltet. Wird nur ein Teil einer Leiterstrecke geschaltet, wie z. B. beim Cryotron, so genügt es, wenn sich ein sonst aus einer Einzelschicht bestehender

Leiter an der betreffenden Stelle in die zwei voneinander isolierten Schichten verzweigt.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Cryoelektrisches Bauelement mit einem zwisehen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umschaltbaren Leiter, das für elektronische Speicher und elektronische Schalter verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement zwei parallele Supraleiterschichten bzw. Schichtteile, die im Betriebsbereich die gleiche Abhängigkeit der kritischen Stromdichte von der Temperatur aufweisen, enthält, die durch eine nichtsupraleitende Mittelschicht oder -schichtteil getrennt und zusammen vom einen Leitfähigkeitszustand in den anderen schaltbar sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht aus einem Isolator besteht.

3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht aus einem Halbleiterwerkstoff besteht.

4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht aus einem nichtsupraleitenden Leiterwerkstoff besteht.

5. Speichereinrichtung mit einem Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Speicherebene, in der andauernde Kreisströme induzierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherebene eine Schichtstruktur enthält, die aus zwei äußeren Supraleiterschichten desselben Werkstoffes und einer isolierenden Mittelschicht besteht.

6. Speichereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der drei Schichten kleiner als 20 000 A dick ist.

7. Speichereinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Schichten durchgehende Schichten ohne Löcher sind.

8. Cryotron, das eine Torwicklung, eine Steuerwicklung und eine Isolation zwischen diesen beiden Wicklungen enthält, mit einem Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Torwicklung, der der Steuerwicklung benachbart ist, aus einer geschichteten Struktur besteht, die zwei Supraleiterschichten und eine dazwischenliegende nichtsupraleitende Schicht enthält.

9. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Zwischenschicht aus zwei im Vakuum aufgebrachten Schichten besteht.

10. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zwischen dem Aufdampfen der ersten und der zweiten Schicht erhöht und anschließend wieder abgesenkt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Schichten SiIiziummonoxyd verwendet wird und daß zwischen dem Aufdampfen der beiden Schichten trockener Stickstoff von etwa Atmosphärendruck in die Aufdampfeinrichtung eingelassen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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