DE1809784C3 - Elektrisches Bauelement mit Josephson-Kontakten - Google Patents

Description

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Art ausführen zu können, muß Z₉ : I_c > 1 sein. Um Grundelemente zur Verknüpfung mit Einer Verstärkung von 3 oder 4 zu erhalten, sind sowohl eine Hilfssteuer-Leitung mit einem Steuer-Vorstrom als auch eine Steuerlcitung erforderlich. Abgesehen davon, daß diese Leitungen in integrierter Bauweise sehr vie' Platz benötigen, ist auch die Steuerung über diese Leitungen unsicher.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Bauelement mit Josephson-Kontakten, insbesondere für logische Schaltungen so aufzubauen, daß das Element auch ohne Hilfssteuerleitung eine Verstärkung größer 1 aufweist, daß mit diesem Element schnell arbeitende Schaltungen aufgebaut werden kennen und daß ein wesentlich höherer Integrationsgrad erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dadurch, daß effektiv zwei Josephson-Verbindungen auf diese Art und Weise entstehen, die jede in der Reihenfolge Metall — Metalloxid — Metall aufeinandergeschichtet sind, ist ein sehr schnell schaltendes Element aufgebaut worden, das sich durch eine wesentlich höhere Spannungsinduktion gegenüber der Elemente mit einfacher Josephson-Verbindung auszeichnet und das außerdem eine wesentlich größere Packungsdichte im Verband erlaubt.

Der hohe Spannungsabfall kommt deshalb zustande, weil eine derartige doppelte Josephson-Vcrbindung nicht nur eine, sondern zwei Oxidschicht-Verbindungen aufweist. Der Spannungsabfall über der Verbindung ist somit doppelt so groß wie bei einer einfachen Verbindung. Durch diese höhere Gesamtspannung ergibt sich eine schnellere Umlagerung des Stroms, in supraleitenden Schleifen von einem Zweig in den anderen. Der Aufbau des Elements gestattet weiterhin, Verstärkungsfaktoren größer 1 zu erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles und den Zeichnungen näher erklärt. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des neuen Doppelverbindungs-T unnelelements,

F i g. 2 einen Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Elements entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 eine Verstärkungskurve der in Fig. 1 gezeigten Einheit,

F i g. 4 eine typische Kurve Z„ gegen V₉ für diese neue Doppelverbindung und

F i g. 5 ein Anwendungsbeispie! dieser neuen Josephson-Vcrbindung in einer bistabilen Kippschaltung.

Die in F i g. 1 gezeigte verbesserte. Jcsephson-Verbindung wird durch bekannte Techniken aufgedampft. Eine Isolierschicht 2 aus Siliziummonoxid oder einem anderen geeigneten elektrischen Isoliermaterial wird auf der supraleitenden Grundplatte 4 niedergeschlagen, die auf einer nicht dargestellten Glasplatte ruht. Auf der Isolierfläche 2 werden durch entsprechende Masken zwei supraleitende Metallschichten 6 und 8 niedergeschlagen, die je eine Dicke in der Größenordnung von 3000 A haben. Diese Mctallschichten werden so oxidiert, daß zwei ganz dünne Oxidschichten 10 und in der Größenordnung von 30 bis 60 A in der Nähe der Lücke 14 gebildet werden, die zwischen dem Film und dem Film 8 besteht. Eine Brücke 16 aus supraleitendem Material, für die dasselbe Material wie für Hie Streifen 6 und 8 verwendet wird, wird über der Lücke 14 niedergeschlagen, so daß effektiv zwei Josephson-Verbindungen entstehen, die jede in der Reihenfolge Metall — Metalloxid — Metall aufeinandergeschichtet sind.

Zur Vervollständigung des in F i g. 1 gezeigten Elements wird über der Doppelverbindung eine Isolierschicht 18 und darauf ein supraleitender Melallfilm 20 so niedergeschlagen, daß der Teil des Filmes 20, der über der Doppelverbindung liegt, rechtwinklig zur Doppel-ίο Verbindung verläuft und nur einen Bruchteil der Breite der beiden Filme 6 oder 8 aufweist. Bei einem Breiten-Verhältnis des Filmes 6 zum Film 20 von 4: 1 ergibt sich eine angemessene Verstärkung. Wenn die Doppelverbindung in der Nähe der Lücke 14 als Teil einer Torschaltung betrachtet wird, die vom spannungslosen Strom in den spannungsbehafteten Zustand umgeschaltet werden kann, dann wird der Strom I₉ durch diese Torschaltung von einer geeigneten Stromquelle, wie z. lä. einer Batterie 22, geliefert. Um den Zustand der Verbindung in der Nähe der Lücke 14 zu ändern, liefert eine durch die Batterie 24 bezeichnete Stromquelle über den Schalter 26 Strom auf die Steuerwicklung 20.

Der Gesamtbetrieb der in Fig. 1 gezeigten Tor-Schaltung wird in Verbindung mit F i g. 4 beschrieben, die in dem Diagramm Z₉-Kj, die Betriebscharakteristik der Doppelverbindung wiedergibt, wobei I₉ und K₉ der durch diese Verbindung fließende Strom bzw. die an der Verbindung abfallende Spannung sind. Es wird angenommen, daß der Schwellstrom des Kontakts durch entsprechende Wahl der Parameter bei der Herstellung der Josephson-Verbindung auf dem Wert 32 mA eingestellt ist. Solange der durch die Verbindung fließende Strom kleiner ist, beruht der durch beide Verbindungen fließende Strom auf dem Tunneleffekt von Cooper-Paaren und ergibt keinen Spannungsabfall; dieser Strom ist durch die Linie L im Diagramm dargestellt. Wenn der Steuerstrom h durch den Steuerstreifen 20 geschickt wird, durchdringt das zugehörige Magnetfeld beide Verbindungen und setzt dabei diesen Schwellwert herab. Der Tunneleffekt der Cooper-Paare wird dann ersetzt durch einen Tunneleffekt von Einzelteilen, der Tunnelstrom durch die Josephson-Verbindung folgt dann der Linie H und erzeugt einen Spannungsabfall von ungefähr 2,2 mV.

Ein stabiler Spannungszustand der Josephson-Verbindung liegt entlang der Linie J vor, wenn der Steuerstrom h weggenommen wird Wenn der Tunnelslrom durch beide Verbindungen unter den Schwellenwert absinkt, kehrt die gemeinsame Verbindung entlang der Linie K in den spannungslosen Stromzustand zurück, der durch den Punkt P dargestellt ist.

F i g. 3 ist eine Kurve der Verstärkungscharakteristik des in Fig. 1 gezeigten Elements, wobei auf der Ordinate der Arbeitsstrom I₉ aufgezeichnet ist und auf der Abszisse der Steuerstrom I_c. Da die Verstärkung das Verhältnis von I₉ zu Z_r ist, ist aus der Kurve zu ersehen, daß Verhältnisse >1 leicht erreichbar sind. Durch Verwendung der in F i g. 1 gezeigten Anordnung ist in der Praxis die Verstärkung im wesentlichen gleich dem Verhältnis der Breiten der Leiter 6 und zur Breite des Steuerleiters 20. Verstärkungswerte in der Größenordnung von 3 oder 4 sind leicht erreichbar. Allgemein wurde festgestellt, daß die Umschaltgeschwindigkeit von Schaltkreisen mit Josephson-Kontakten, bei denen eine Verlagerung des Stroms von einem Zweig in einen parallel geschalteten erfolgt, eine Funktion des Spannungsabfalls über der Verbindung

ist. Da die Anordnung in F i g. 1 effektiv zwei Verbindungen in Reihe enthält, wird der doppelte Spannungsabfall einer einfachen Verbindung erzeugt, was zu noch höheren Umschaltgeschwindigkeiten führt. Alle Punkte innerhalb der Ellipse E der F i g. 3 stellen Nulloder nicht spannungsführende Zustände der Einheiten dar.

F i g. 5 zeigt eine bistabile Kippschaltung, in der diese neue Josephson-Verbindung verwendet werden kann. 36 und 38 sind schematische Darstellungen von zwei nach der in Fig. 1 gezeigten Art hergestellten Kontaktpaaren. Am Anfang fließt der Arbeitsslrom /₀

durch die die bistabile Kippschaltung bildende Par aufschaltung und teilt sich gleichmäßig auf, wöbe /„, durch einen Schenkel Ig₂ durch den anderer Schenkel fließt und I_gi ~ I₁₁₂ ist. Wenn ein Steuer strom durch die mit der Josephson-Verbindung 36 verbundene Wicklung 20 geschickt wird, dann schaltet dit Verbindung in den spannungsführenden Stromzustanc um, und der gesamte Strom I₀ wird auf den Schenke umgeschaltet, der das Kontaktpaar 38 enthält. Es mut Lo beachtet werden, daß der gesamte Strom I₀ immei kleiner als der kritische Strom der beiden Kontakte 3t und 38 ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Supraleitende Schaltungen mit Tunneleffekt sind Patentansprüche: bekannt. So ist z. B. aus der Veröffentlichung »The Tunneling Crypton — A Superconductive Logic

1. Elektrisches Bauelement mit Josephson-Kon- Element Based on Electron Tunneling« vor. J. Matakten, insbesondere zur Verwendung in logischen 5 tisoo, Proceedings of the IEEE, Vol. 55, Nr. 2, Schaltkreisen, bei dem die Kontakte aus zwei, auf Februar 1967, S. 172 bis IbO, ein Josephson-Tunneleinem isolierten Substrat übereinander angeord- element bekanntgeworden, das aus zwei dünnen Meneten, durch eine dünne Isolierschicht getrennten, tailfilmen supraleitfähigen Materials besteht, die durch supraleitfähigen Metallschichten und einer darüber eine dünne Schicht in der Größenordnung von 10 bis isoliert angeordneten Steuerelektrode bestehen, io 30 Ä des Metalloxids voneinander getrennt sind und so dadurch gekennzeichnet, daß auf eine geschichtete Verbindung von Metall — Metalldem isolierten Substrat (2) zwei mit einer dünnen oxid — Metall bilden. Diese Verbindung wird bei einer Isolierschicht (10, 12) versehene supraleitfähige Temperatur in der Nähe des absoluten Nullpunktes Metallschichten (6, 8) mit geiingem gegenseitigen bei ungefähr 1 bis 6⁰K. betrieben. Zwei derartige Ver-Abstand (14) nebeneinander angeordnet sind, daß 15 bindungen können in Parallelschaltung betrieben werüber den isolierten Teilen dieser Metallschich- den und so eine Torschaltung oder eine bistabile Kippten (6, 8) eine weitere gemeinsame supraleitende schaltung realisieren. Der zuerst auf die Torschaltung Metallschicht (16) angeordnet ist, so daß zwei geleitete Strom teilt sich dabei gleichmäßig auf die benachbarte Josephson-Kontakte vorhanden sind, beiden innerhalb der Torschaltung vorhandenen Wege und daß über beiden Josephson-Kontakten eine 20 auf. In einem Zustand der Josephson-Verbindung weitere isoliert angebrachte Metallschicht (20) vor- fließt Strom durch die Verbindung, begleitet von einem handen ist, die beiden Kontakten als gemeinsame Spannungsabfall, und in einem zweiten Zustand der Steuerleitung dient. Josephson-Verbindung fließt Strom durch die Ver-

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge- bindung, ohne daß ein Spannungsabfall über der kennzeichnet, daß die beiden ersten Metallschich- 25 Verbindung erzeugt wird. Die Zustandsänderung wird ten (6, 8) streifenförmige Gestalt haben und so auf durrh ein externes magnetisches Feld hervorgerufen, dem Substrat angeordnet sind, daß ihre Schmal- Im Betriebszustand, bei dem die Josephson-Verbinseiten den geringen gegenseitigen Abstand (14) auf- dung keinen Spannungsabfall beim Stromfluß aufweisen, weist, tritt ein Tunneleffekt von Elektronenpaaren auf,

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch ge- 3° im anderen Betriebszustand, bei dem der Stromfluß kennzeichnet, daß die Steuerelektrode (20) eine von einem Spannungsabfall über der Sperrschicht hestreifenförmige Gestalt aufweist und senkrecht zur gleitet wird, ein Tunneleffekt von Einzelpartikeln. Der Richtung der beiden ersten Metallstreifen (6, 8) Übergang von einem Zustand in den anderen erfolgt angeordnet ist. durch gleichzeitiges Anlegen eines Arbeitsstroms durch

4. Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch 35 den Kontakt und eines Steuerstromes. Im Ruhezugekennzeichnet, daß die Breite der Steucrleitung(20) stand der Parallelschaltung befindet sich jede Josephnur einen Bruchteil der Breite der ersten Metall- son-Verbindung im Paar-Tunnelzustand. Ein Arbeitsstreifen (6, 8) aufweist, wobei das Verhältnis der strom kann durch die Verbindung geschickt werden, Breiten vorzugsweise den Wert 1 : 4 besitzt. ohne daß ein Spannungsabfall auftritt. Wenn ein

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 40 Steuerleiter über der Verbindung liegt und Strom führt, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Metall- setzt das auf diese Weise erzeugte magnetische Feld schichten (6, 8) aus Blei oder Zinn oder Tantal oder den Schwellwert des Arbeitsstroms für das UmNiobium bestehen. schalten herab, die Verbindung schaltet dann in den

6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch ge- einfachen Tunnelzustand um, und es tritt ein Spankennzeichnet, daß die Isolierschichten (10, 12) der 45 nungsabfall an der Sperrschicht auf. Zu diesem Zeitersten Metallschichten (6, 8) aus dem Oxid des punkt, in dem ein Spannungsabfall über der Verbinbetreffenden Metalls bestehen und eine Schicht- dung in einem Teil auftritt, schaltet der gesamte dicke von etwa 10 bis 30 A aufweisen. Arbeitsstrom auf den zweiten Teil oder Ast der Par-

7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch ge- allelschaltung um, der keinen Spannungsabfall in der kennzeichnet, daß die zweite Metallschicht (16) als 5° Verbindung aufweist und bleibt in diesem zweiten Ast gemeinsame Elektrode der beiden Josephson-Kon- auch, nachdem die Verbindung im ersten Ast oder takte aus demselben Material besteht, wie die Schenkel wieder in den nicht spannungsführenden ersten Metallschichten. Zustand zurückführt. Dieser sogenannte Stromsteuer-

8. Bauelement nach ^inem der Ansprüche 1 bis 7, betrieb ist für supraleitende Schalter der normale dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung, (20) 55 Betriebszustand. Wie oben beschrieben, kann eine ebenfalls aus einem supraleitfähigen Material be- derartige einfache Josephson-Verbindung, die auch in steht. der US-PS 32 81 609 beschrieben ist, als bistabile

9. Verwendung von Bauelementen nach einem Kippschaltung betrieben werden, in der der nicht der Ansprüche 1 bis 8 in den beiden Zweigen einer spannungsführende Stromfluß in einer Bahn zum bistabilen Kippschaltung. 60 Speichern einer Eins und ein ähnlicher Stromfluß in

dem anderen Ast zum Speichern einer Null benutzt wird. Wenn ein Stromimpuls auf die Steuerwicklung

an der Josephson-Verbindung gegeben wird, schaltet

dieser die Schaltung von einem Ast auf den anderen 65 um. Das Verhältnis des gesteuerten Arbeitsstroms (I₁)

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement zum Steuerstrom (/_c) wird als Verstärkung des Gemit Josephson-Kontakt nach dem Oberbegriff des samtelementes bezeichnet. Um eine logische VerAnspruchs 1. knüpfung mic einem Element der oben beschriebenen