DE2330731A1

DE2330731A1 - Logische verknuepfungsschaltung mit josephson-elementen

Info

Publication number: DE2330731A1
Application number: DE2330731A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Anacker; Juri Matisoo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-06-30
Filing date: 1973-06-16
Publication date: 1974-01-10
Also published as: JPS5515110B2; GB1400091A; FR2191312A1; DE2330731C2; IT987428B; CA985792A; US3758795A; FR2191312B1; JPS4945698A

Description

Böblingen, 12. Juni 1973 te-fr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 074

Logische Verknüpfungsschaltung mit Josephson-Elementen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur logischen Verknüpfung von Binärsignalen unter Verwendung von Josephson-Elementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die Anwendungen in logischen Schaltungen und Speichern von elektronischen Rechenanlagen ist der sogenannte Josephson-Effekt, bei dem ein Tunneln von Elektronenpaaren durch eine dünne Isolationsschicht zwischen zwei Supraleitern auftritt, aufgrund der besonders hohen Umschaltgeschwindigkeit der Josephson-Elemente sehr attraktiv. Außerdem sind diese Elemente mit einfachen Mitteln und mit außerordentlich geringer Verlustleistung zu steuern, d.h. zwischen ihrem normalleitenden Zustand, in dem sie einen endlichen Widerstand aufweisen, und dem supraleitenden oder Null-Volt-Zustand umschaltbar; das Umschalten kann entweder dadurch erfolgen, daß der Strom in dem Josephson-Element über einen zulässigen Höchstwert hinaus erhöht wird oder mit Hilfe eines das Josephson-Element durchdringenden Magnetfelds, das den maximal zulässigen Josephson-Strom im Element herabsetzt und das Element umschaltet, sobald der tatsächliche Strom größer ist als dieser Maximalstrom. Beispiele für Schaltungen mit Josephson-Elementen sind z.B. in den US-Patentschriften 3 281 609 und 3 626 391 sowie in der Veröffent-

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lichung von W. Anacker in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-5, Seite 968, Dez. 1969 zu finden.

Dem praktischen Einsatz diesar Elemente stehis» jedoch noch eine Reihe von Schwierigkeiten entgegen, die sich insbesondere beim Aufbau von Schaltungen mit einer großen Zahl von Elementen ergeben, so z.B. das Problem des Einhaltens von konstanten Signalpegeln, das Unterdrücken von unkontrollierten Störimpulsen oder Oszillationen und die ungestörte Weiterleitung von Ausgangsimpulsen an eine große Zahl von Folgeelementen über mehrere logische Stufen hinweg. Mit diesen Problemen eng zusammenhängend sind die Fragen einer ausreichenden Herstellausbeute und der tatsächlichen Verwirklichung der durch das einzelne Josephson-Element selbst erlaubten hohen Operationsgeschwindigkeit von Verknüpfungsschaltwerken.

Die vorliegende Erfindung hat sich dsirentsprechend die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsanordnung Kit Josephson-Elementen anzugeben, deren Geschwindigkeit nicht durch parasitäre Effekte vermindert ist, die eine gute Kontrolle der Signalpegel und damit wenig kritische Herstellungsparameter erlaubt, mit der eine große Anzahl von Ausgangselementen verzerrungsfrei gesteuert werden kann und die schließlich mit den üblichen Methoden der Dünnfilmtechnik herstellbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Einrichtung, deren Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben sind. Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Der vorteilhafte Aufbau und der gewählte Abschluß der übertragungsleitung für die Ausgangssignale unterdrückt Störimpulse und Relaxationsoszillationen, die sonst bei einer großen Anzahl von an die Leitung angeschlossenen Folgeelementen unvermeidbar sind. Die Steuerung der Josephson-Elemente mit Hilfe von Magnetfeldern, die den maximal zulässigen Josephson-Strom im Element vermindern

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und bei Vorhandensein eines größeren Stroms das Element umschalten, ergibt einen Ausgangeimpuls, der wenig von Herstellungstoleranzen abhängig ist, da er im wesentlichen durch die Energielücke des Josephson-Elenients bestimmt wird. Diese beiden Merkmale erlauben den Aufbau einer Schaltung, die für logische Anwendungen sehr flexibel ist, da wenig Einschränkungen für die Zahl der an ein Element anschließbaren Folgeelemente bestehen. Die Operationsgeschwindigkeit ist dabei nur durch die Umschaltgeschwindigkeit der Josephson-Elemente selbst und der unvermeidlichen Laufzeitverzögerung der Signale bestimmt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen supraleitenden Schaltkreis mit einem Josephson-Tunnelelement und einer übertragungsleitung, die mit einem Widerstand abgeschlossen ist, um Reflexionen zu vermeiden, wenn das Josephson-Element seinen Spannungszustand ändert;

Fig. IB einen Ausschnitt des Schaltkreises aus

Fig. IA, in dem der Abschlußwiderstand R_Q, in der übertragungsleitung praktisch alle Reflexionen unterdrückt, selbst-dann, wenn die Zahl der Ausgangsleitungen sehr groß ist;

Fig. 2 die Struktur eines Teils des Schaltkreises

aus Fig. 1;

Fig. 3 die Abhängigkeit zwischen dem Strom in der

Tunnelgrenzschicht und der Spannung an der Tunnelgrenzschicht für ein Josephson-Element zur Erläuterung der Wirkungsweise des Schaltkreises in Fig. 1; -

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Fig. 4 eine Verstärkungskurve für ein Josephson-

Element, ebenfalls zur Erläuterung der Wirkungsweise des Schaltkreises in Fig. 1;

Fig. 5 in schematischer Darstellung einen supraleitenden Schaltkreis, in dem eine Vielzahl von Josephson-Elernenten an eine übertragungsleitung angeschlossen sind, deren Strom dazu benutzt wird, die Spannungszustände von zahlreichen anderen Josephson-Elementen zu steuern.

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise einen supraleitenden Schaltkreis mit einem Josephson-Tunnelelement, das an eine übertragungsleitung angeschlossen ist, die so abgeschlossen ist, daß Stromimpulse in der übertragungsleitung nicht zum Josephson-Element zurückreflektiert werden.

Im einzelnen sind die Elektroden eines Josephson-Elements mit einer durch 10 bezeichneten übertragungsleitung verbunden. Im Bild besteht die übertragungsleitung 10 aus einem ersten Leitungsstreifen 1OA und einem zweiten Leitungsstreifen 1OB, die von einer supraleitenden Grundplatte 12 durch eine Isolierschicht 13 getrennt sind. Nach Wunsch kann auch eine gewöhnliche übertragungsleitung an das Josephson-Element Jl angeschlossen werden, wobei dann die Grundplatte 12 entfallen würde. Die geschilderte besondere Ausführungsform eignet sich für die Herstellung des Schaltkreises in Dünnfilmtechnik, da die Leiterstreifen 1OA und 1OB leicht auf einer isolierten Grundfläche 12 aufgebracht werden können.

An das Josephson-Element Jl ist eine Stromquelle 14 angeschlossen, die einen Strom I . liefert. Dieser Strom fließt in die ParalIe!-Kombination aus dem Josephson-Element Jl und der Übertragungsleitung 10. Der ganze Strom I . fließt durch Jl, wenn dieses sich in seinem Null-Volt-Zustand befindet; nur wenn Jl in seinen Spannungszustand umschaltet, der ungleich null ist,

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spaltet sich I , auf und es fließt ein Strom I. in der übertragungsleitung 10. Befindet sich also Jl in seinem Zustand mit endlichem Widerstand, so gilt I , = I,, + I..

Benachbart zum Tunnelelement Jl sind Steuerleitungen Xl, Yl und Zl angeordnet. Diese Leitungen sind mit Stromquellen 15X, 15Y bzw. 15Z verbunden oder auch mit anderen Schaltkreisen, die Ströme in diesen Leitungen erzeugen. Beispielsweise fließt im Steuerleiter Xl der Strom I₁, im Leiter Yl fließt der Strom I_yi und im Steuerleiter Zl fließt der Strom I₂₁. Je nach Vorhandensein oder Abwesenheit von Steuerströmen in den Steuerleitern ändert sich der maximale Josephson-Strom, der durch Jl fließen kann. Das heißt, die Steuerströme in den Steuerleitern bauen Magnetfelder auf, die das Tunnelelement Jl durchsetzen und den maximalen Josephson-Strom beeinflussen, der durch Jl in seinem Null-VoIt-Zustand fließen kann.

In Abhängigkeit von den Steuerströmen, die in den Steuerleitern Xl, Yl und Zl fließen, kann das Josephson-Element Jl von seinem Null-Volt-Spannungszustand in einen Zustand mit endlicher Spannung umgeschaltet werden, wobei dann am Josephson-Element Jl die Spannung anliegt, die der Energielücke entspricht. Dadurch wird ein Stromimpuls I erzeugt, der durch die übertragungsleitung 10 fließt. In der vorliegenden Erfindung wird die übertragungsleitung 10 mit einer Impedanz R.. abgeschlossen, die so gewählt ist, daß der Stromimpuls I nicht zum Tunnelelement Jl zurückreflektiert wird. Im Aufbau der Fig. IA mit den Leiterstreifen ist dieser Abschlußwiderstand gleich dem Doppelten der charakteristischen Impedanz Z jedes Leiterstreifens 1OA und 1OB.

Wenn die übertragungsleitung 10 nicht ordnungsgemäß abgeschlossen ist, treten in der Leitung Reflexionen auf; erst nach Ablauf einer gewissen Zeit kann dann der Nominalstrom durch die Übertragungslinie 10 fließen und als Steuersignal für die Steuerung der Spannungszustände andere Josephson-Elemente, wie z.B. J2, benutzt werden. Dies bedeutet, daß zusätzlich zur Laufzeitver-

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■~ 6 —

zögerung des Spannungsimpulses von Jl zum Abschlußwiderstand R₀₁ eine weitere Zeitspanne erforderlich ist, um den Schaltkreis zu stabilisieren. Dies stellt, für schnelle Logikschaltkreise ein ernstes Problem dar.

In der Schaltung von Fig. IA hat der Stromimpuls I. einen Betrag von ^V_/^Roi * ^{Das ne}^ßt, ^aB ^ie Toleranz im Aus gangs stromimpuls I im wesentlichen davon abhängt, wie gut die Toleranz von R₀₃ eingehalten werden kann, da V die Spannung ist, die der Bandlücke des Elements Jl entspricht und nur wenig von der Temperatur abhängt. Für V kann eine Toleranz von besser als 1 % eingehalten werden.

In Fig. IA stellt der Leiterstreifen 1OA eine Steuerleitung dar, die in der Nähe eines weiteren Josephs on-Elements J2 verläuft. Das bedeutet, daß der Stromimpuls I₁ im Leiterstreifen 1OA ein Magnetfeld erzeugt, das das Element J2 durchsetzt. Dieses Magnetfeld bestimmt den Schwellwert, für den Josephson-Strom von J2 und damit auch dessen Spannungszustand in derselben Weise wie der Spannungszustand von Jl durch das Vorhandensein oder die Abwesenheit von Strömen in den Steuerleitern Xl, Yl und Zl bestimmt wird. Es ist klar, daß für J2 ähnlich wie für Jl eine Vielzahl von Steuerleitern vorgesehen werden kann. Das heißt, die zusätzlichen Leitungsstreifen können in der Nähe von J2 verlaufen, wobei der sie durchfließende Strom gleichfalls Magnetfelder erzeugt, die J2 durchsetzen. Diese zusätzlichen supraleitenden Leitungsstreifen sind ebenfalls mit einer Impedanz abgeschlossen, die ausreichend bemessen ist, um Reflexionen zu unterdrücken.

In Fig. IA ist das Josephson-Element J2 mit einer Stromquelle 16 verbunden, die einen Strom I - erzeugt. Ebenfalls mit den Elektroden von J2 verbunden ist eine supraleitende übertragungsleitung, die mit 18 bezeichnet ist. In der dargestellten Ausführungsform besteht die übertragungsleitung 18 aus den supraleitenden Leiterstreifen I8A und 18B. Ebenso wie die Leitungsstreifen 1OA und 1OB liegen die Leitungsstreifen 18A und 18B über einer

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supraleitenden Grundplatte 12. Die übertragungsleitung 18 ist mit einer Impedanz R_Q2 abgeschlossen, deren Wert so gewählt ist_f daß keine Reflexionen von Spannungsimpulsen in der übertragungs- ' leitung 18 auftreten.

Die Wirkungsweise des aus J2 und der übertragungsleitung 18 bestehenden Schaltkreises ist dieselbe wie für Jl und die übertragungsleitung 10. Das heißt, wenn das Element J2 zu einem Zustand mit endlicher Spannung umgeschaltet wird, fließt ein Strom I₂ in der übertragungsleitung 18. Da der Abschlußwiderstand R_ gleich der Summe der charakteristischen Impedanzen der Leiterstreifen 18A und 18B ist, treten Reflexionen nicht auf. Der Strom in den Leiterstreifen 18A und 18B kann deshalb als Steuerstrom für weitere Josephson-Elemente verwendet werden.

Pig. IB stellt einen Teil des Schaltkreises aus Fig. IA dar, in dem der Abschlußwiderstand R-. aus den drei Impedanzen Zl, Z2 und Z3 besteht. Diese Art des Abschlusses wird verwendet/ um Reflexionen auf der Leitung 10 zu vermeiden, wenn der Stromimpuls als Steuerimpuls für zahlreiche Josephson-Elemente verwendet wird, die nahe der übertragungsleitung 10 angeordnet sind.

Zl ist die charakteristische Impedanz des Leiterstreifens 1OA, Z2 ist die charakteristische Impedanz des Leiterstreifens 1OB und Z3 stellt eine Impedanz dar, deren Wert ungefähr 0,1 χ Zl oder 0,1 χ Z2 beträgt. Im allgemeinen haben die Leiterstreifen 1OA und 1OB dieselbe Länge und dieselbe charakteristische Impedanz. Z3 stellt eine geringe charakteristische Impedanz dar und seine Länge ist so gewählt, daß Reflexionen unterdrückt werden, die irgendwo längs der übertragungsleitung 10 erzeugt werden. Durch das Hinzufügen der Impedanz Z3 zu dem Zentralpunkt der Impedanzen Zl und Z2 wird der Reflexionsfaktor der Leitung 10 reduziert, selbst wenn eine große Zahl von Ausgangsleitungen verwendet wird.

Als Impedanz Z3 wird in vorteilhafter Weise eine übertragungsleitung mit offenem Ende gewählt, deren charakteristische Impedanz

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geeignet und die genügend lang ist im Hinblick auf die Anstiegszeit von Impulsen, die auf der Leitung IO erscheinen können; damit lassen sich die Anpaßbedingungen für Signale verbessern, die irgendwo längs der Leitung IO induziert werden. Das heißt, die Länge von Z3 wird so gewählt, daß die Verzögerung von Impulsen, die auf ihr wandern, länger ist als die Anstiegszeit von Impulsen, die auf der Leitung 10 erwartet werden können.

Fig. 2 zeigt die Struktur eines Teils des in Fig. IA dargestellten Schaltkreises. Im einzelnen handelt es sich um das Josephson-Element Jl, die Steuerleitungen Xl, Yl, Zl und eine supraleitende Übertragungsleitung 10.

Das Josephson-Tunnelelement Jl besteht aus supraleitenden Elektroden 2OA und 2OB, die durch eine Tunnelgrenzschicht 22 getrennt sind. Die Elektroden sind aus bekannten supraleitenden Materialien hergestellt, wie z.B. Blei oder Zinn. Die Tunnelgrenzschicht 22 besteht vorzugsweise aus einem Oxid der Basiselektrode 2OA, also z.B. Bleioxid. Das Herstellungsverfahren eines Josephson-Elements ist gut bekannt und wird daher im folgenden nicht weiter beschrieben.

Die übertragungsleitung 10 besteht aus supraleitenden Leitungsstreifen 1OA und 1OB. Ebenso wie die Elektroden des Josephson-Elements Jl werden die Leiterstreifen mittels bekannter Prozesse, wie z.B. Verdampfen oder Kathodenzerstäubung, hergestellt. In Fig. 2 sind sie auf eine Isolierschicht 13 aufgebracht, die über einer supraleitenden Grundplatte 12 liegt.

Die Steuerleitungen Xl, Yl und Zl sind im allgemeinen supraleitend, jedoch müssen sie es nicht sein. Sind diese Steuerleitungen aber gleichzeitig die Ausgangsschleifen von anderen Schaltkreisen mit Josephson-Elementen, so bestehen sie immer aus supraleitenden Materialien. In der Zeichnung sind die Steuerleitungen Xl, Yl und Zl als über dem Josephson-Element Jl liegend dargestellt.

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Die supraleitende übertragungsleitung 10 wird mit einer Impedanz R₀₁ abgeschlossen, die zweckmäßigerweise aus einem nicht supraleitenden Metall (wie z.B. Kupfer oder Aluminium) besteht. R-. bildet eine elektrische Verbindung zwischen 1OA und 1OB.

Die Fign. 3 und 4 stellen verschiedene Diagramme des Stroms und der Spannung in der Tunnelgrenzschicht Jl von Fig. IA dar. Mit ihrer Hilfe wird die Wirkungswelse des Schaltkreises von Fig. IA erläutert und insbesondere seine Fähigkeit, logische Funktionen zu realisieren.

Fig. 3 zeigt den Josephson-Strom Ij₁ durch die Tunnelgrenzschicht Jl des Josephson-Elements als Funktion der Spannung V, die an der Grenzschicht Jl anliegt. In diesem Schaubild erkennt man den konventionellen Kurvenzug, der zeigt, daß im Null-Volt-Zustand ein Paar-Tunneln durch die Grenzschicht auftritt, bei Vorhandensein einer endlichen Spannung dagegen ein Tunneln von Einzelteilchen. Das heißt, wenn sich die Grenzschicht in ihrem NuIl-Volt-Zustand befindet, können durch sie Ströme bis zu einem Betrag von I, fließen, übersteigt der Strom I_. durch die Grenzum j L

schicht diesen Wert, so schaltet diese sehr schnell zu einem Zustand mit endlicher Spannung um, wobei die Spannung an der Grenzschicht der Energielücke entspricht. Wird dann der Grenzschichtstrom auf einen Wert kleiner als I_ erniedrigt, so folgt die

um

Spannung an der Grenzschicht dem zwischen A und B gelegenen Kurvenzug, bis schließlich der Null-Volt-Zustand wieder erreicht wird.

Fig. 3 enthält auch eine Widerstandsgerade, die durch R_Q. gekennzeichnet ist. Mit Hilfe dieser Geraden kann die Wirkungsweise des Schaltkreises von Fig. IA erklärt werden, wenn das Josephson-Element Jl entsprechend dem Strom umgeschaltet wird, der von den Steuerleitungen Xl, Yl und Zl geliefert wird.

Es soll angenommen werden, daß sich Jl in seinem Null-Volt-Zustand befindet und daß ein Strom I , durch das Element Jl fließt. Durch-

gi

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dringt nun ein Magnetfeld das Element Jl, dessen Stärke ausreicht, den Strom durch Jl auf einen Wert kleiner als I . zu reduzieren, so schaltet das Tunnelelement Jl sofort in den Zustand mit endlicher Spannung. Der Strom I . teilt sich dann auf, wobei ein Teil I_, durch das Element Jl und ein Teil I. durch die

Jl 1

supraleitende übertragungsleitung 10 fließt. Solange der Strom

I aus der Quelle 14 fließt, wird auch der Strom I. in der gj- J·

supraleitenden übertragungsleitung 10 fließen, sofern Il sich in seinem Zustand mit endlicher Spannung befindet. Dieser Strom I hat einen Wert V /R₀₁? er stellt einen konstanten und vorhersagbaren Strom dar, der nur von den Toleranzen der Energielücke des Tunnelelements Il abhängt. Die Widerstands gerade wird im allgemeinen so gewählt, daß der Strom Ij. immer größer bleibt als I¹ . (der minimale Josephson-Strom), um damit Relaxationsschwingungen im Stromkreis zu verhindern.

Das Tunnelelement Jl wurde längs eines Pfades, der durch die Widerstandsgerade R_n. gekennzeichnet war, in seinen Zustand mit endlicher Spannung geschaltet. Wird danach der Strom Ij₁ derart erniedrigt, daß I- Ij. < I¹ ,, so schaltet das Tunnelelement Jl in seinen Null-Volt-Zustand zurück.

In Fig. 4 ist die Verstärkungskurve für das Tunnelelement Jl dargestellt. Es handelt sich um eine asymmetrische Verstärkungskurve für den Strom I_. durch das Element Jl als Funktion des

ü 1

Steuerstroms, der ein Magnetfeld erzeugt, das Il durchdringt. In diesem Bild ist dargestellt, daß drei logische Verknüpfungen mit Hilfe des Schaltkreises von Fig. IA erhalten werden können. Es handelt sich dabei um die Verknüpfungen ODER, UND, sowie um die Negation. In der Zeichnung sind die Eingangssteuersignale Ι_χ, , I.,. und I- durch Pfeile dargestellt. Es wird angenommen, daß der

YX AL·

Betrag der Steuerströme in jedem der Steuerleiter derselbe sei. Selbstverständlich jedoch kann der Betrag der Steuerströme in verschiedenen Steuerleitern auch verschieden sein. In Fig. 4 ist die Richtung der Steuerströme durch die Richtung der Pfeile dargestellt. Nach rechts weisende Pfeile stellen Steuerströme dar,

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deren Magnetfelder in der Richtung eindringen, in der sie das Eigenmagnetfeld verstärken, das von I,. im Element Jl erzeugt wird. Nach links weisende Pfeile stellen Steuerströme dar, deren Magnetfelder dem Eigenmagnetfeld von I,, in Jl entgegengerichtet sind.

Um die logische Wirkungsweise des Schaltkreises von Fig. IA zu verstehen, ist zuerst festzustellen, daß der Bereich innerhalb der Verstärkungskurve von Fig. 4 dem Null-Volt-Zustand (Vl=O) entspricht, während das Gebiet außerhalb der Verstärkungskurve dem Zustand mit endlicher Spannung (V=V ) des Tunnelelements Jl entspricht. Der Schaltkreis von Fig. IA ist so entworfen, daß bei einem Strom I , der durch Jl fließt, zwei Steuerströme vorhanden sein müssen, deren Flußrichtung so ist, daß sich ihre Magnetfelder dem Eigenfeld der Grenzschicht hinzuaddieren, um damit Jl in seinen Zustand mit endlicher Spannung umzuschalten.

ODER-Verknüpfung

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Zur Realisierung der ODER-Verknüpfung wird der Steuerleitung Zl ein konstanter Hilfsstrom I₂₁ = S eingeprägt. Es muß also nur ein einzelner Steuerstrom Ι_χ. oder Ι_γι vorhanden sein (zusätzlich zu I„,), um das Element Jl in seinen Zustand mit endlicher Spannung umzuschalten. Sind weder im Leiter Xl noch im Leiter Yl Steuerströme vorhanden, so bleibt das Josephson-Element Jl in seinem Null-Volt-Zustand. Damit entspricht diese Struktur der" ODER-Verknüpfung.

UND-Verknüpfung

Im Fall der UND-Verknüpfung fließt im Leiter Zl kein Strom. Mit anderen Worten, um das Element Jl in seinen Zustand mit endlicher Spannung umzuschalten, müssen Ströme sowohl in Xl und Yl vorhanden sein. Führen diese Leitungen zur selben Zeit beide keinen Strom, so bleibt Jl in seinem Null-Volt-Zustand.

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Negation

Die Negation NICHT stellt eine Invertierung dar, bei der das Ausgangssignal entgegengesetzt zum Eingangssignal ist. Zur Realisierung dieser Funktion wird ein Strom mit negativer Richtung in die Steuerleitung Xl eingespeist. Danach werden HilfsstrÖme S in den Steuerleitungen Yl und Zl eingeprägt. In diesem Fall spielt die Reihenfolge der Impulse eine wichtige Rolle. Das Vorhandensein eines negativen Stromes I_V1 bedeutet, daß der Ar? aits-

ÄX

punkt'auf die linke Seite der Ordinate der Verstärkungskurve wandert und damit, daß das Vorhandensein von zwei Hilfsströmen die Grenzschicht nicht in ihren Zustand mit endlicher Spannung umschalten kann. Nur wenn der Strom I_v. in der Steuerleitung Xl

AX

fehlt, kann das Tunnelelement Jl in seinen Zustand mit endlicher Spannung umgeschaltet werden, sobald mittels der Steuerleitungen Yl und Zl die HilfsstrÖme S eingeprägt werden. Es handelt sich also tatsächlich um eine Realisierung der Negation.

Die Reihenfolge der angelegten Impulse ist zwar wichtig für die Wirkungsweise des Schaltkreises von Fig. IA im Falle der Negation, nicht aber für die Verknüpfungen ODER und UND. Im Falle der UND-Verknüpfung ist nur wichtig, daß sich die Eingangsimpulse für einige Zeit überlappen, damit das Tunnelelement Jl richtig umschalten kann. Zu bemerken ist noch, daß abhängend von der logischen Verknüpfung (UND, ODER, usw.) der Hilfsstrom S entweder immer oder nie vorhanden ist.

Fig. 5 zeigt ein Schema eines Schaltkreises, in dem die Prinzipien verwendet werden, die bisher in bezug auf den Schaltkreis von Fig, IA erläutert wurden. In Fig. 5 ist zumindest ein Josephson-Element Jl mit einer supraleitenden übertragungsleitung 26 verbunden. Ähnlich wie in Fig. IA besteht die übertragungsleitung aus supraleitenden Leiterstreifen 26A, 26B, die über einer supraleitenden Grundplatte 28 angeordnet sind. Die Steuerleitungen Xl, Yl und Zl dienen zum Umschalten des Spannungszustandes von Jl. Die Stromquelle 30 liefert einen Strom I . durch

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Jl, wenn sich das EElement in seinem Null-Volt-Zustand befindet.

Die supraleitende übertragungsleitung 26 wird durch eine Impedanz R₀₁ abgeschlossen, deren Betrag so gewählt ist, daß keine Reflexionen in der supraleitenden übertragungsleitung 26 auftreten, wenn Stromimpulse I in dieser Leitung aufgrund von Änderungen des Spannungszustandes des supraleitenden Tunnelelements Jl fortgepflanzt werden. Die Impedanz R_Q. ist entsprechend den Prinzipien aufgebaut, die anhand der Fign. 1Ά und IB beschrieben wurden.

In enger Nachbarschaft zum Leiterstreifen 26A ist eine Vielzahl von anderen Josephson-Tunnelelementen angeordnet, die hier durch die Tunnelelente Jl und J3 angedeutet sind. In ähnlicher Weise befinden sich die Josephson-Elemente J4 und J5 in der Nähe des Leiterstreifens 26B. Wenn notwendig, können weitere Steuerleitungen für die Tunnelelemente Jl, J3, J4 und J5 vorgesehen werden. Beispielsweise sind in Fig. 5 Steuerleitungen X2 und Y2 in der Nachbarschaft von J2 dargestellt. In diesem Fall wirkt der Leiterstreifen 26A als zusätzliche Steuerleitung (Z2) für das Josephson-Element J2. In ählicher Weise bildet der Leiterstreifen 26B die Steuerleitung Z für die Tunnelelemente J4 und J5.

Logische Verknüpfungen können mit dem Schaltkreis von Fig. 5 in der gleichen Weise erzielt werden wie mit dem Schaltkreis von Fig. IA. Beispielsweise erhält man die ODER-Verknüpfung, wenn Jl nur für den Fall umschaltet, daß eine einzelne Steuerleitung Xl oder X2 einen Strom trägt (I₂, =» S). In ähnlicher Weise reicht das Vorhandensein von Strömen in beliebiger Kombination dieser Steuerleitungen aus, um den Spannungszustand von Jl umzuschalten. Der Schaltkreis ist so ausgelegt, daß beim Schalten des Tunnelelements Jl der Strom Ij₁/ der durch das Element fließt, größer bleibt als der Schwellwert für den Josephson-Strom I_Jm· Damit wird verhindert, daß das Element Jl in dem Null-Spannungszustand zurückschaltet, und zwar so lange, wie ein Strom I. in der supraleitenden übertragungsleitung 26 fließen soll.

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Zur weiteren Erklärung der logischen Verknüpfungsmöglichkeiten mit Hilfe des Schaltkreises von Fig. 5, z.B. der ODER-Verknüpfung, wird ein Hilfsstrom in die Steuerleitung Zl eingeführt. Die Anwesenheit eines Steuerstromes in einem beliebigen der übrigen Steuerleiter wird dann das Josephs on-Element Jl in den Zustand endlicher Spannung umschalten und dabei einen Stromimpuls Jl in der supraleitenden übertragungsleitung 26 erzeugen. Wie erwähnt, ist der Strom Ijw der durch Jl fließt, gleich I₁- I.; er sollte immer ausreichend groß sein, um das umgeschaltete Element in dem Zustand endlicher Spannung festzuhalten.

Die UND-Verknüpfung und die Negation werden in der gleichen Weise realisiert wie dies anhand der Wirkungsweise des Schaltkreises von Fig. IA dargestellt wurde» Diese Funktionen brauchen hier also nicht nochmals beschrieben zu werden.

Obwohl es sehr wünschenswert ist, logische Verknüpfungen mit Hilfe der Schaltkreise zu erhalten, die im Vorgehenden beschrieben waren, ist es klar, daß beliebige Schaltungen mit Strukturen aufgebaut werden können, die Josephson-Elemente in Verbindung mit supraleitenden übertragungsleitungen enthalten, wobei die übertragungsleitungen mit Abschlüssen versehen sind, die Oszillationen unterdrücken, wenn das Josephson-Element seinen Spannungszustand ändert. Der hier beschriebene Schaltkreis liefert konstante Steuersignale mit genau eingehaltenen Impulsdauern und Impulspolaritäten, und zwar unabhängig von den besonderen Eigenschaften der verwendeten Josephson-Elemente. Außerdem treten keine Stabilitätsprobleme infolge von Oszillationen in den Schaltkreisen auf und es ist möglich, die Schaltkreise mit Geschwindigkeiten zu betreiben, die den Schaltgeschwindigkeiten der Josephson-Elemente entsprechen.

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Claims

- 15 PATENTANSPRÜCHE

Einrichtung zur logischen Verknüpfung von Binärsignalen unter Verwendung von Josephson-Elementen, die vorzugsweise aus zwei durch eine dünne Isolationsschicht getrennten supraleitenden Metallschichten bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind

a) ein erstes mit einer Stromquelle (14?Fig. IA) verbundenes Josephson-Element (Jl) mit einer oder mehreren zugeordneten Steuerleitungen (Xl, Yl, Zl) zum Umschalten des Elements,

b) eine vorzugsweise supraleitende übertragungsleitung (10), die an das erste Josephson-Element angeschlossen und an ihrem Ende mit einem Widerstand (ROl) abgeschlossen ist, der Reflexionen des Ausgangsimpulses vom ersten Josephson-Element unterdrückt,

c) eines oder mehrere weitere mit Stromquellen (16) verbundene Josephson-Elemente (J2), die derart angeordnet sind, daß sie von dem Magnetfeld des auf der übertragungsleitung (10) laufenden Umschaltimpulses beeinflußt und umgeschaltet werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußwiderstand (ROl) der übertragungsleitung (10) ungefähr gleich der Impedanz dieser Übertragungsleitung ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsleitung (10) aus zwei Streifenleitern (1Oa, 10b) besteht und daß der Abschlußwiderstand (Zl, Z2; Fig. IB) ungefähr dem doppelten Wert der Impedanz jeder Streifenleitung (10a, 10b) entspricht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum angepaßten Abschlußwiderstand (Zl, Z2) eine weitere übertragungsleitung (Z3; Fig. IB) in symmetrischem

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Anschluß vorgesehen ist, deren Wellenwiderstand so gewählt ist, daß auf der Übertragungsleitung (10) induzierte Störiir.pulse unterdrückt werden.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme von Signal- oder HiIfsströmen eine Vielzahl von Steuerleitungen (Xl, Yl, Zl) mit zugeordneten Stromquellen (15X, 15Y, 15Fi) für das erste Joseph son-E lern ent (Jl) vorgesehen ist, deren Ströme in Abhängigkeit von der gewünschten logischen Funktion so gesteuert werden, daß sich deren Magnetfelder ganz oder teilweise addieren oder aufheben und somit das Josephson-Element (Jl) steuern.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Übertragungsleitung (1O) angekoppelten v/eiteren Josephson-Elemente (J2) ebenfalls an reflexionsfrei abgeschlossene übertragungsleitungen (18) angeschlossen sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die übertragungsleitung (10) angekoppelten weiteren Josephson-Elemente (2) mit einer oder mehreren zusätzlichen Steuerleitungen (X2, Y2) versehen sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Dünnfilmtechnik hergestellt ist.

OfHGiNAL INSPECTED

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