DE2410089B2 - Supraleitende logische Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende logische Schaltung mit wenigstens einem Josephson-Kontakt.

Logische Schaltungen finden in weitestein Maße Anwendung in Daten- oder Informationsverarbeitungsanlagen jeglicher Art. Auf der Suche nach immer schnelleren, räumlich kleineren und letztlich auch billigeren Schaltungen mit geringem Leistungsverbrauch sind bereits seit langem Schaltungen vorgeschlagen worden, bei denen die in gewissen Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen auftretende Supraleitfähigkeit ausgenutzt wird. Auch die erfinduncsgemäße logische Schaltung macht von den im Gebiet der Supraleitfähigkeit auftretenden Eigenschaften Gebrauch. Es finden Josephson-Kontakte Anwendung, deren Arbeitsweise auf dem sogenannten Josephson-Effekt beruhen, dessen grundsätzliche theoretische Erklärunc in einem Artikel »Possible New Effekt in Superconductive Tunneling« gegeben ist, der um B. D. Josephson in »Physics Letters« im Juli 1962 auf den S. 251 bis 253 pub'izicrt wurde.

Die bei Temperaturen von wenigen Grad Kelvin operierenden supraleitenden Josephson-Kontakte können, abhängig vom sie durchfließenden Strom, zwei grundsätzlich verschiedene Zustände einneh- ' men: im Bereich unterhalb des sogenannten maximalen Josephson-Stroms I_mux (ließt ein Elektronenpaar-Tunnelstrom, der Spannungsabfall über dem Josephson-Kontakt ist hierbei gleich Null; man spricht vom »supraleitenden« Zustand. Beim Überschreiten des Stromwertes I_max schaltet .das Element in einen Zustand um, bei dem t/in Ein-Teilchen-Tunnelstrom fließt; dieser ruft einen Spannungsabfall hervor, die sogenannte Lückenspannung V₀. Dieser Zustand wird als »normalleitend« bezeichnet. Wird nach erfolgtem Umschalten in den normalleitenden Zustand der Strom wieder reduziert, so tritt ein Hysterese-Effekt auf, d. h., der Übergang zum supraleitenden Zustand erfolgt bei einer Stromstärke, die beträchtlich unter dem Wert/_m(IJC liegt. Der Wert des maximalen Josephson-Stroms l_mux kann durch ™ von außen an den Kontakt angelegte magnetische Kontrollfelder beeinflußt werden: Innerhalb eines gewissen Bereichs der Größe des Magnetfeldes wird der Wert des maximal möglichen Josephson-Stroms bei kurzen Kontakten mit steigenden Magnetfeldern verringert, während bei langen Kontakten eine lineare Abhängigkeit zwischen l_mas und dem Magnetfeld besteht.

Da die Josephson-Kontakte zwei stabile unterschiedliche Zustände einnehmen können, bieten sie sich zur Verwendung in Speichern an. Solche Speicher wurden unter anderem beschrieben in der US-PS 36 26 391 wie auch im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 14, Nr. 4, vom September 1971. Darüber hinaus können Josephson-Kontakte aber auch in logischen Schaltungen Verwendung finden. In der US-PS 32 81609 wird eine solche" Schaltung beschrieben: Logisch zu verknüpfende Eingangsströme werden einem Josephson-Kontakt zugeführt; überschreitet der den Kontakt durchfließende Strom dessen maximalen Josephson-Stromwert, so schaltet der Kontakt in den normalleitenden Zustand. Hieraus resultiert ein Ausgangsstrom, der durch einen dem Josephson-Kontakt parallelgeschalteten Lastwiderstand fließt. Da kein Ruhestrom verwendet wird, findet keine Verstärkung statt. Nicht gezeigt ist, wie dif^se Schaltungen im Zusammenhang mit weiteren logischen Schaltkreisen operieren können, ein Erfordernis, das für Datenverarbeitungsanlagen von großer Wichtigkeit ist. Da in der angegebenen Schaltung selbst weder eine Verstärkung noch eine Entkopplung aufeinanderfolgender Schaltungen erfolgt, ist ein Einsatz in komplexen Schaltanordnungen nur unter Anwendung weiterer Mittel denkbar.

Ferner ist bereits aus der obengenannten US-PS 32 81 609 und anderen Veröffentlichungen, wie z. B. von J. Matisoo in Proc. IEEE, Vol. 55, Februar 1967, S. 172 ff., vorgeschlagen, die Tatsache auszunutzen, daß der maximale Josephson-Strom durch angelegte Magnetfelder reduziert und somit bereits beim Fließen eines Ruhestroms //ί,,</,,,_β._ν ein Umschalten in den normalleitenden Zustand möglich wird. Die logisch zu verknüpfenden Eingangsströme werden in unmittelbarer Nähe des Joscphson-Kontakts angebrachten Steuerelektrode!! zugeführt. Erreicht das von den Eingangsströmen erzeugte Gcsamtfeld einen hinreichend großen Wert, so erfolgt das Umschalten. Dies bewirkt einen Stromfluß über eine parallel zum Josephson-Kontakt geschaltete Übertragungsleitung, die ihrerseits wiederum Steuer-Magnetfelder für nachfolgende Josephson-Kontaktschahungen erzeugt. Bei dieser Schaltung ist zwar sowohl eine Verstärkung als auch eine Entkopplung gegeben, aber da die verwendeten Josephson-Kontakte mehrere Steuer-Elektroden aufweisen müssen, ergeben sich relativ große Abmessungen des Josephson-Kontakts. Dies bedingt wiederum hohe Ströme, d. h., eine Vielzahl solcher Schaltungen kann praktisch niciii parallel an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen werden, sondern ist in Reiht- zu schalten, um Verlustleistungen in erträglichen Grenzen zu halten. Die Serien-Schaltung verhindert jedoch eine gute Entkopplung, da sich eine Spannungsänderung in einer Schaltung zwangsläufig auf die anderen, vom gleichen Strom durchflossenen Schaltungen auswirkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Hinblick auf die Nachteile der dem Stande der Technik angehörenden Vorrichtungen darin, eine logische Schaltung mit wenigstens einem Josephson-Kontakt anzugeben, die in Schaltungsanordnungen mit einer Vielzahl von miteinander verknüpften Schaltungen verwendet werden kann, da sie die Forderungen nach einer hinreichenden Verstärkung sowie nach einer Entkopplung aufeinanderfolg;nder Schaltungen erfüllen soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die erfindungsgemäße Schaltung weist außer der schon besprochenen Verstärkung und der Entkopplung aufeinanderfolgender Schaltungen noch folgende, weitere Vorteile auf:

Es lassen sich mit ihr logische Schaltungen aufbauen, deren Leistungsverbrauch sehr gering ist.

Der Aufbau und somit die Herstellung der Schaltungen ist einfacher als bei leistungsmäßig vergleichbaren Schaltungen.
Der Platzbedarf der Schaltung ist gering und somit die Packungsdichte groß.
Die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung und damit ihie Taktfrequenz für logische Operationen einschließlich des Rückstellen in eine definierte Ausgangslage ist hoch.
Die gegenseitige Beeinflussung der an der gleichen Spannungsquelle angeschlossenen Schaltung ist gering, wenn hierbei eine konstante Quelle mit geringem Innenwiderstand verwendet wird.

Durch die erfindungsgemäße Wahl der Bau ,. elemente der Schaltung können die bei der Her stellung von Josephson-Kontakten unvermeid baren Toleranzabweichungen von den Soll werten automatisch kompensiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand voi Ausführungsbcispiclen und den Zeichnungen nähe erläutert. Hs zeigt

Fig. IA eine schcmalische Darstellung eines i der vorgeschlagenen Schaltung verwendeten Joseph son-Kontakts,

Fig. IB die charakteristische Strom-Spannung; Kennlinie eines Josephson-Kontakts,

F i g. 1 C die Stromverteilungskurve des in Fi g. IA gezeigten Josephson-Kontakts,

Fi g. 1 D das für den in Fig. 1 A gezeigten Josephson-Kontakt verwendete Schaltungssymbol.

F i g. 2 das Diagramm einer ODER-/UND-Schaltung,

F i g. 3 A ein als Inverter einsetzbares Josephson-Element,

Fig. 3B das Diagramm einer NAND-/NOR-Schaltung,

F i g. 4 eine Josephson-Kontakt-Verstärkeranordnung,

F i g. 5 ein Strom-Spannungs-Diagramm einer Schaltung, in dem die charakteristische Kennlinie des verwendeten Josephson-Kontakts sowie sich bei unterschiedlichen Belastungen einstellende Arbeitspunkte dargestellt sind,

F i g. 6 A eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer »Weak Link«,

Fig. 6B ein Strom-Spannungs-Diagramm einer Schaltung, in der der Anschlußwiderstand durch eine »Weak Link« nach F i g. 6 A ersetzt ist,

F i g. 6 C eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines Josephson-Kontakts, dessen Elektrodenmaterial einen Indiumzusatz aufweist,

F i g. 7 ein Diagramm, das die Stromverhältnisse für die in der gleichen Figur gezeigte Schaltung in Abhängigkeit von der maximalen Josephson-Stromdichte j_max der verwendeten Josephson-Kontakte darstellt.

Der Josephson-Kontakt

In F i g. 1A ist ein Josephson-Kontakt, der in o-r erfindungsgemäßen logischen Schaltung beispielsweise Verwendung finden kann, schematisch dargestellt. Der Kontakt 11 wird gebildet aus einem Bereich einer aus supraleitendem Material bestehenden Grundplatte 12, einer darauf aufgebrachten dünnen Isolierschicht 13 sowie einer diese Schicht bedeckenden ebenfalls supraleitenden Elektrode 14. Letztere ist an den mit E₁ und E₂ bezeichneten Enden mit Elektrodenanschlüssen 14 a bzw. 14 b versehen.

Fig. IB zeigt die für einen Josephson-Kontakt charakteristische Strom-Spannungs-Kennlinie. Bereich 15 der Kurve entspricht dem bis zum Wert des maximalen Josephson-Stroms I_max \lj = i_max) reichenden supraleitenden Zustand, Bereich 16 dem normallcitenden Zustand. Im Bereich Run, d. h. bei höheren Strömen Ij, entspricht die Kennlinie der eines linearen Widerstandes R_NN. Im folgenden werden für solche Josephson-Kontakte typische Materialien und Dimensionen angegeben. Die Grundplatte 12 und die Elektrode 14 können beispielsweise aus Blei bzw. einer Bleilegierung bestehen und etwa 3000 bis 4000 A dick sein; als Material für die Isolierschicht verwendet man ein Oxyd des Grundplattcnmaterials, die Stärke der Schicht beträgt etwa 20 A. Da keine Magnetfeld-Steuercleklroden erforderlich sind, kann die Breite des Josephson-Kontakts sehr klein gehalten .werden; sie beträgt beispielsweise 2 μ. Mit einer Kontaktlänge von etwa 50 μ ergibt sich somit ein /_mni.-Wert von beispielsweise 1 bis 2 mA. Ein typischer Wert für die Lückenspannung V₀ : 2,5 mV.

Die Länge / des Josephson-Kontakts in Stromflußrichtung durcli die Elektrode 14 (diese ist durch die Strompfcili; /_/( bzw. /_/{ angedeutet) ist groß, verglichen mit der als Josephson-Eindringtiefe λ, bezeichneten Länge

1/

2 e μ₀ · 2 l_L }_max

mit 7i = Plancksche Konstante,
e = Ladung eines Elektrons,
μ₀ = Permeabilität im Vakuum,
X_L — London-Eindringtiefe, d. h. Eindringtiefe
des Stromes in die supraleitenden Elektroden,
imax — maximale Josephson-Stromdichte.

Für Blei als Grurndplalten- und Elektrodenmaterial ist )._L = 800 A. Wählt man ferner j_max zu 1000 A/cm², so ergibt sich aus obiger Formel ein ).j von etwa 12,5 μ. Für einen Josephson-Kontakt der Länge / = 50 μ beträgt somit das Verhältnis XH₁ etwa 4.

Mit den genannten Dimensionen ergibt sich innerhalb des Josephson-Kontakts die in F i g. 1 C dargestellte Stromverteilung. Ein dem Ende E₁ zugeführter Strom /_a der Größe des maximalen Josephson-Stroms I_max des Josephson-Kontakts verteilt sich gemäß Kurve 17. Die Fläche unterhalb der Kurve entspricht dem Gesamtstrom

Iß ⁼ Imax ~ 2 λ] · j_max · b

3⁼ mil b = Kuiiiakibiciic.

Die Stromverteilungskurve zeigt, daß der Strom I_B, solange der "wert l_max nicht überschritten wird, im Bereich 0 < * < 2,5 Aj zur Grundplatte und in dieser weiter als Strom /_ö' zurückfließt. In größerem Abstand vom Ende E₁, also bei χ ]> 3 Xj, ist der vom Strom Iß verursachte Josephson-Kontaktstrom vernachlässigbar klein.

Entsprechendes gilt spiegelbildlich für einen dem Ende E₂ zugeführten Strom I_R. Dieser ist, wie später ersichtlich werden wird, bei der praktischen Anwendung infolge von im Strompfad angeordneten Lastwiderständen R_L wesentlich kleiner als der Strom 7_/;. Seine Verteilung über den Josephson-Kontakt ist in F i g. 1 B durch die gestrichelte Kurve 18 angedeutet.

Aus F i g. 1 C ist somit ersichtlich, daß die Ströme I₀ und 1_R in einem Josephson-Kontakt der Läne.e / ^> 41₁ voneinander isoliert, also entkoppelt sind, solange

l_B<l_maxundI_R<I_B.

Fig. ID zeigt das Symbol des in Fig. 1 A dargestellten »langen« Josephson-Kontakts. Es wird in den nachfolgend zu beschreibenden Zeichnungen verwendet.

ODER-ZUND-Schaltungen

In F i g. 2 ist eine logische ODER-Schaltung 20-1 dargestellt, in der ein Josephson-Kontakt 11-1 Ver wendung findet, der dem in F i g. 1 A gezeigten ent spricht. Um die Arbeitsweise der Schaltung auch in Rahmen einer größeren, aus einer Vielzahl von logi sehen Schaltkreisen bestehenden Schaltungsanord nung betrachten zu können, sind auch dfe nach folgenden Schaltungen 20-2, 20-3 angedeutet, voi denen ein Rückstrom l_R zum Josephson-Kontafc ll-l fließen könnte und zu deren Betrieb die vo der Schaltung 20-1 über die Widerstände R_L gelic

ferteri Eingangssteuerströme ausreichend sein müssen. Darüber hinaus sind eingangsseitig Widerstände R₁' und R₁" gezeigt, die über Josephson-Kontakte vorgeschaltete Schaltkreise mit der Grundplatte verbunden sind.

Die ODER-Schaltung 20-1 besteht aus dem bereits erwähnten Josephson-Kontakt 11-1. Dessen am Kontaktende Zi₁ angeordneter Elektrodenanschluß ist einerseits über die Anschlußimpedanz /?_ül, die im zunächst betrachteten Fall durch einen linearen Widerstand gebildet wird, mit einer Quelle konstanter Spannung F₀ (ß,« 0) verbunden; andererseits über die Widerstände R_L' bzw. R_L" und die Josephson-Kontakte ähnlicher vorgeschalteter Schaltungen mit der Grundplatte. Kontaklende E₂ ist, wie gezeigt, über Widerstände R_Ll bzw. R_i2 mit Eingängen nachgeschalteter Schallungen 20-2 und 20-3 verbunden.

Im Betrieb werden V_Q und R_Dl so gewählt, daß der sich in Abwesenheit von über R_L' bzw. R_L" zugeführten Eingangsströmen I₁ bzw. I₂ einstellende Strom i_Uo etwa gleich 0,9 l_max ist, so daß der Josephson-Kontakt 11-1 im supraleitenden Zustand verbleibt (s. F i g. 1 B). Der Kontakt wirkt wie ein Kurzschluß gegen die Grundplatte, d.h., /_ß0 fließt hierin ab; es fließt kein Ausgangsstrom /_Ll oder I_L2 durch R_Lj bzw. R_{L 2}. Beim Eintreffen eines Eingangsstroms I₁ über ~R_L' oder /₂ über R_L" oder bei gleichzeitigem Auftreten von I₁ und I₂ überlagert sich rijecpr Strom dem Ruhestrom der Größe 0,9 I_max. Mit I₁ = I₂ = 0,2 I_max ergibt sich somit iu jeuem Fall ein Gesaintstrom von I_B j> I_max, d. h-, der Josephson-Koniaki seliauci iu den normalleitenden Zustand, die Elektrodenspannung springt auf den Wert V₀. Hieraus resultiert folgende Stromverteilung: Der zur Grundplatte abfließende Strom ist auf C35 einen Wert reduziert, der dem Arbeitspunkt auf der Iy-Vy-Kennlinie entspricht, der sich in Abhängigkeit von R_B und den Lastwidersländen R_L einstellt. Ob Ströme I_Ll und I₁₂ fließen, hängt vom jeweiligen Zustand der Josephs"on-Kontakte 11-2 bzw. 11-3 der nachfolgenden Schaltungen ab. Sind diese im normalleitenden Zustand, d. h., liegt der Eingang der Schaltungen 20-2 und 20-3 somit auf dem Potential V_r„ so fließen keine Ströme; befinden sich Kontakte 11-2 oder/und 11-3 jedoch im supraleitenden Zustand, so fließen Ströme/,.! und/oder I₁„ der Größe V₀IR₁₁ „.

Bei geeigneter Dimensionierung der Josephson-Kontakte, der Widerstände und Spannungswerte entsprechen diese Ströme wiederum etwa 0,2 · I_max der Josephson-Kontakte 11-2 bzw. 11-3, d. h., eine weiterc Verstärkung der Ströme ist nicht erforderlich. Hierauf wird im Zusammenhang mit F i g. 5 noch näher eingegangen werden.

Befindet sich einer der Kontakte 11-2 oder 11-3 im normalleitenden Zustand, d. h., die Elektroden dieser Kontakte sind auf Potential F₀, so kann ein den Strömen /_Ll bzw. I_L2 entgegengesetzt gerichteter Rückstrom/_w auftreten, wenn sich der Kontakt 11-1 gleichzeitig im supraleitenden Zustand befindet. Diese Rückströme sind jedoch durch die Widerstände R₁ , bzw. R₁ „ begrenzt, so daß /« <^ l„_ex des Kontaktes 11-1 ist". Ferner sind die Rückströme, bedingt durch den verwendeten »langen« Josephson-Kontakt, vom Vorwärtsstrom /_;) getrennt. Befindet sich Kontakt 11-1 im normallcilcndcn Zustand, treten keine Rückströme auf, da beide Enden der Widerstände R, _t und R, ο auf Potential V₀ liegen.

Zusammenfassend sei fcstccstcllt: Wird der Schaltung 20-1 ein Eingangsstrom über wenigstens einen der Eingänge zugeführt, so wird die Schaltung in einen Zustand versetzt, in welchem sie einen Ausgangsstrnm an nachfolgende Schaltungen abgeben kann. Diese Ströme fließen nicht, wenn sich die Josephson-Kontakte der entsprechenden angeschlossenen Schaltungen ihrerseits bereits im normalleitenden Zustand befinden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn es sich um ODER-Schaltungen handelt und einem anderen Eingang (A oder B) bereits ein Strom zugeführt wurde.

Wird die Zuführung der Eingangsströme I₁, I₂ unterbrochen, so geht der Strom/_ß wieder auf den Ruhestromwert von /_ßo = 0,9 l_max zurück. Der Josephson-Kontakt 11-1 bleibt gemäß der in Fig. 1 B dargestellten /,-Fy-Kennlinie infolge der Hysterese-Eigenschaft im normalleitenden Zustand. Um die Schaltung 20-1 in die Ausgangslage zurückzuführen, ist somit ein Rückstellzyklus erforderlich., währenddessen der Ruhestrom kurzzeitig unterbrochen oder wenigstens auf einen derart geringen Wert reduziert wird, der ein sicheres Rückschalter· in den supra leitenden Zustand des Joscphson-Kontakts gewährleistet.

Die an Hand der F i g. 2 beschriebene Schaltung kann nicht nur, wie bisher beschrieben, als ODER-Schaltung, sondern auch als UND-Schaltung verwendet werden. In Abhängigkeit von der Zahl der Eingänge muß lediglich der Ruhestrom /_Bo vom Wert U,9 l_max herabgesetzt werden: Für drei Eingänge, deren Eingangsströme je 0,2 I_max betragen, wäre ein Ruhestrom Ir. der Größe 0.5 /_._Si. vor7uschcn. womit gewährleistet ist. daß

/₃

/_fl0 > I_max

während z. B. I₁ + L₁ + I_Bo < I_max.

Inverter, NOR- und NAND-Schaltungen

In Fig. 3A ist schematisch ein Josephson-Element 31 dargestellt, das die Funktion eines Inverters ausführen kann. Es besieht wiederum aus einem »langen« Josephson-Kontakt, der durch einen Bereich der Grundplatte 32, eine dünne Isolierschicht 33, und einer auf dieser aufgebrachten Elektrode 34 gebildet wird. An den Enden E₁ und E₂ angebrachte Elektrodcnanschlüsse 34a und 346 sind für die Zuführung eines Ruhestroms/_ßo bzw. zur Abführung eines Ausgangsstromes I_L vorgesehen. Im Gegensatz zu dem in F i g. 1A gezeigten Kontakt ist fernei eine über dem Josephson-Kontakt angeordnete Steuerelektrode 35 vorhanden, die bei 36 mit dei Grundplatte 32 leitend verbunden ist. Ein ihr zugeführter Strom /,,v fließt bei 36 in die Grundplatte Der Rückstrom I_1n' dringt in dem Bestreben, einer Zustand möglichst kleiner Energie (d. h. geringe: Abstand von Hin- und Rückstrom) einzunehmen, irr Bereich des Josephson-Kontakts bei E₁ durch dif Isolierschicht 33 in die Elektrode 34 ein und verlaß diese erst wieder bei E₂. Wie durch einen kleiner Pfeil angedeutet, ergibt sich somit am Ende E₁ eii aufwärts gerichteter Strom, der sich dem im Joseph son-Kontakt in entgegengesetzter Richtung fließen den Strom /„„ überlagert. Hieraus resultiert durcl Iix' eine scheinbare Erhöhung des Wertes I_max In₀ = 1.1 /„.,,. allein angelegt bewirkt ein Umschaltet des Josephson-Kontakts in den normaücitcnden Zu stand, d.h.. Elektrode34 springt auf Potential V₀, un< es fließt ein Ausgangsstrom I_L durch Anschluß 34 b

Fließt hingegen beim Einschalten von /_ß0 = 1.1 I_mux bereits ein Strom I_1n, der bei E₁ einen aufwärts gerichteten Rückstrom von beispielsweise 0,2 l_max erzeugt, so bleibt der im Bereich E₁ fließende Gesamtstrom von (1,1 — 0,2) · I_max < /„,„,., d.h., der Josephson-Kontakt bleibt im supraleitenden Zustand. Er wirkt wie ein Kurzschluß gegen die Grundplatte, der Ausgangsstrom /, wird zu Null. Bei der Anwendung des beschriebenen Josephson-Elements als Inverter ist darauf zu achten, daß der zu invertierende Eingangsstrom I_iN zeitlich vor dem Anlegen des Ruhestroms/_ß0 angelegt werden muß, um eine korrekte Arbeitsweise und somit einen Ausgangsstrom I_L = 0 zu erhalten. Bei umgekehrter Reihenfolge würde I_11111x durch /_ßo überschritten und der Josephson-Kontakt in den normalleitenden Zustand umschalten, der einem ΙιΦ® entspricht. Infolge des Hysterese-Verhaltens des Josephson-Kontakts würde dieser bei nachträglichem Zuführen von I_1n in diesem Zustand verbleiben.

Da ein »langer« Josephson-Kontakt benutzt wird, /_ßn somit in unmittelbarer Nähe von E₁ zur Grundplatte abfließt, hat der bei E₂ abwärts gerichtete Rückstrom I_1n' keinen Einfluß auf die Arbeitsweise des Inverters.

Der beschriebene Josephson-Kontakt (32, 33, 34) kann ähnlich aufgebaut sein wie der in Fig. 1 Λ gezeigte. Lediglich die Breite ist geringfügig zu erhöhen, um ein Aufbringen der beispielsweise 2 μ breiten Steuerelektrode 35 zu ermöglichen. Letztere kann wiederum aus Blei bzw. einer Blcilcgiciung bestehen. Da lediglich eine Steuerelektrode erforderlich ist. bleibt die Breite des Elements und somit der Platzbedarf auch für den Inverter sehr gering.

Es ist offensichtlich, daß das beschriebene Inverter-Elemcnt auf einfache Art zu in Datenverarbeitungsanlagen viel benötigten NOR- oder NAND-Schaltungen erweitert werden kann, indem die derart logisch zu verknüpfenden Eingänge galvanisch mit der Steuerelektrode 35 verbunden und die Stromstärken entsprechend der gewünschten Funktionen gewählt werden. Eine solche Schaltung ist in Fig. 3 B dargestellt. Da ihre Ausführung und Arbeitsweise für den Fachmann keine Probleme aufgeben, wird hier auf weitere Erläuterungen verzichtet.

Verstärkerschaltung

Im Zusammenhang mit Fig. 5 wird näher darauf eingegangen und abgeleitet werden, daß eine zusätzliche Stromverstärkung zwischen aufeinanderfolgenden logischen Schaltungen normalerweise nicht erforderlich ist. Unter extremen Bedingungen, beispielsweise wenn der Ausgangssirom einer Schaltung als Eingangsstrom für eine große Anzahl, z.B. 10 bis 20, nachgeschalteter Schaltkreise dienen soll, kann jedoch eine Verstärkung erforderlich werden.

Fig. 4 zeigt einen Verstärker, der auf der gleichen Technologie wie die beschriebenen logischen Schaltungen basiert und für die zwischen aufeinanderfolgenden Schaltungen gegebenenfalls erforderliche Verstärkung Verwendung finden kann. Dargestellt ist ein zweistufiger (Stufen I und II) Verstärker 41, der wiederum aus auf einer supraleitenden Grundplatte 42 aufgebrachten, zwei Josephson-Kontaktc bildenden Schichten aufgebaut ist: einer Isolierschicht mit den Bereichen 43 α (Stufe I) und 43 b (Stufe II) sowie einer supraleitenden, die Elektroden bildenden Schicht mit den Bereichen 44η und 44b. Im Ruhezustand Hießen in den beiden Stufen I und II die Ruheströme /_ßl und /_/i2, deren Größe gerade unterhalb der des maximalen Josephson-Stroms I_mas ., und I_max., der entsprechenden Josephson-Kontakte liegt. Die Kontakte beider Stufen bleiben zunächst im supraleitenden Zustand. Der dem Elektrodenanschluß 45 zugeführte Ruhestrom I_Di,

ίο beispielsweise der Größe 0,9 · I_max ,, Hießt über die Elektrode 44 ο und die Isolierschicht 43« zur Grundplatte 42 ab. Über den die beiden Josephson-Kontakte verbindenden, von der Grundplatte ebenfalls isolierten metallischen Steg 49 fließt kein Strom zur

Stufe II. Entsprechendes gilt für die zweite Stufe: Der dem Elektrodenanschluß 47 zugeführte Ruhestrom /_ß2, beispielsweise der Größe 0,9 · /_m0.₍₂' fließt über die Elektrode 44/; und die Isolierschicht 43Z) zur Grundplatte 42. Über den Elektrodenanschluß 48 fließt kein Ausgangsslrom /,. ab.

Wird dem Eingangsanschluß 46 ein zu verstärkender Strom /_//V zugeführt, der, dem Ruhestrom /_ßl überlagert, den durch den Josephson-Kontakt der ersten Verstärkerstufe fließenden Strom über den Wert/_mBi, erhöht, so schaltet der Kontakt in den normalleitcnden Zustand um. Die über dem Kontakt abfallende Spannung V₀ bewirkt einen durch den Steg 49 fließenden Strom /_s, der sich wiederum dem Ruhestrom I„„ der zweiten Verstärkerstufe über-

lacert. Mit /»"-<- /->■*,„„,., schaltet auch der J"-sephson-Kontakt der zweiten Sttufe in den normalieitenden Zustand, so daß die Spannung V₀ einen Aüsi.aiIgNXimm /, erzeugt, der urn ein Vielfaches größer ist als der zu verstärkende Eingangsstrom /;_lV·

Ein Verstärkungsfaktor I,JI_1n von etwa 10 bis 12 läßt sich mit dieser Verstärkeranordnung beispielsweise mit folgenden Verhältnissen erzielen:

/«_s = 0,9/„,„„;

max 2 ^J ' max ι >

¹I" ⁼ °'² ' ^!max ι ■

Der Steg 49 stellt eine Serieninduktivität dar unc bildet einen Tiefpaß, der ein Eintreten des rclati\ großen Ruhestromes I_B„ in die vorangehende Ver stärkerstufe I weitgehend verhindert. Er vcrhinder jedoch nicht, daß"dcr durch die Spannung V₀ de: ersten Kontakts hervorgerufene Strom /_K zur zweiter

Stuff flinRt· Η!«™ :_^Ί ■ _r·· · ..' ;-:„„,·<

Stufe fließt; dieser wird "nur geringfügig verzögert.

:hricbenen Veislärkcranordnung41

Die bei der beschriebenen Veislärkcranordnung*J verwendeten Josephson-Kontakte sind nicht not wendigerweise »lange« Kontakte. Die Anordnung is somit nicht als Ausführungsbeispiel der Erfinduni anzusehen. Sie wurde jedoch beschrieben, um di< Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen logischei Schaltungen auch in großen Schaltunnsanordnunget und unter extremen Bedingungen darzulegen.

Die Stromversorgung

In Fig. 5 ist die Strom-Spannungs-Charakteristil einer .-M-haltung nach Fig. 2 gezeigt. Die aus dei Bereichen 15 und 16 gebildete" Kennlinie entsprich der der F ic. iß.

Als gemeinsame Stromquelle für alle zu einer größeren Schaltungsanordnung zusammengefaßten Schaltungen dient eine Quelle geringen Innenwiderstandes Rj, die somit eine im wesentlichen belastungsunabhängige konstante Spannung aufweist. Hierdurch wird eine störende gegenseitige Beeinflussung der Schaltungen durch eine Kopplung über die Stromquelle vermieden. Die Spannung K₁₁ der Stromquelle sei gleich 5 V₀. Mit dem vorgegebenen Wert des Ruhestroms /_ß0 von 0,9 · l_max ergibt sich für den Widerstandswert der Anschlußimpedanz R_B der Wert 5 K_G/0,9 · /„„.

Es sei angenommen, daß durch Anlegen von Eingangsströmen ein Umschalten in den normalleitenden Zustand erfolgt ist. Dann stellt sich für den Fall, daß keine Ströme durch die Lastwiderstände R₁ abfließen, der Arbeitspunkt A ein, der durch den Schnitt der /?_ß-Widerstandsgeraden mit der Kurve 16 gegeben ist und bei dem der Spannungsabfall über dem Josephson-Kontakt gleich V₀ ist. Um ein einwandfreies Zusammenarbeiten mehrerer Schaltungen zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Spannung V₀ unabhängig von der Belastung der Schaltung erhalten bleibt, da von ihr sowohl die an nachfolgende Schaltungen abgegebenen Ströme als auch die sich einstellenden Rückstromverhältnisse abhängen. Es muß also gefordert werden, daß die sich bei Belastung durch einen oder mehrere Lastwiderstände R, ergebenden Kennlinien »R_ß/Ri«, y>R_B/R_L/R_L« usw. die Kurve 16 im steilen Bereich schneiden, der einer praktisch konstanten Kontaktspannung von V_n entspricht. Bei stärkerer Belastung wäre eine zwischengeschaitete Verstärkeranordnung nach Fig. 4 erforderlich. Fig. 5 zeigt, daß die gestellte Forderung innerhalb normaler Belastungsgrenzen durch einen hinreichend hohen Anschlußwiderstand R_B erfüllt wird.

An Hand der Fig. 5 wurde gezeigt, daß ein hoher Anschlußwiderstand R_n die Anforderungen an die Schaltung bezüglich ihrer Belastbarkeit erfüllt. Ein hoher Widerstand R₁₁ bedingt jedoch einen relativ hohen Spannimgswert V₀ und für jede der parallel an die gemeinsame Stromquelle angeschalteten Schaltungen eine relativ hohe Verlustleistung /_fl0 ■ Rr₂. An Hand der Fig. 5, 6A, 6B und 6C wird im folgenden aufgezeigt, wie V₀ und die Verlustleistung durch geeignete Schaltungsmaßnahmen verringert werden können.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß der Verlauf der Widerstandsgeraden im Bereich von 0<7< etwa V_n für die Erfüllung der Bclastungsbedingungen ausschlaggebend ist, während der Bereich V_G<CV<CV₀ an sich unbedeutend ist. Im Bereich bis V ä; V₀ muß R_n einen hohen differcnticllen Widerstand aufweisen, während es wünschenswert wäre, im Bereich V > V₀ beispielsweise ein der gestrichelten Kurve 51 entsprechendes Verhalten zu erreichen. Hierdurch wäre eine Herabsetzung der Speisespannung von V_n auf V_n' und somit eine beträchtliche Reduzierung der Verlustleistung jeder Schaltung möglich.

Fig. 6A zeigt die Strom-Spannungs-Kcnnlinie einer sogenannten »Weak Link«. Eine solche Weak Link wurde beispielsweise von K. K. Likharev in τ.Soviet Physics«, JETP 34, 906 (1972), beschrieben. Sie weist einen Bereich B auf, in dem der differenticllc Widerstand sehr hoch ist, während die Kennlinie jenseits dieses Bereichs, d. h. bei größeren Spannungswerten, der eines relativ kleinen linearen Widerstandes entspricht. Durch Wahl der Querschnittsdimensionen einer solchen »Weak Link« läßt sich der Stromwert für V-O bestimmen. Er kann, wie in Fig. 6A angenommen, also gleich dem Wert des erforderlichen Ruhestroms /_ß0 gemacht werden.

Wird ein solches Element an Stelle des bisher in der Schaltung nach Fig. 2 verwendeten linearen Widerstandes als Anschlußimpedanz R_n benutzt, so ergibt sich für die Schaltung die in Fig. 6B dargestellte Kennlinie 61. Sie entspricht weitgehend der angestrebten, in Fig. 5 mit 51 bezeichneten Kurve, d. h., bei Anwendung einer solchen »Weak Link« kann, ohne das sonstige Verhalten der logischen Schaltung negativ zu beeinflussen, eine beträchtlich reduzierte Verlustleistung erzielt werden.

In Fig. 6C ist eine andere Strom-Spannungs-Kennlinie 62 gezeigt, die ebenfalls einen Bereich B hohen differentiellen Widerstandes aufweist. Es ist die Kennlinie eines Josephson-Kontakts, bei welchem dem Elektrodenmaterial ein Indiumzusatz beigelügt wurde. Es ist bekannt, daß ein solcher Zusatz den ursprünglichen Kennlinienverlauf 16 in einen solchen umwandelt, der durch die Kurve 62 dargestellt wird. Durch geeignete Dimensionierung und Schaltungsmaßnahmen läßt sich auch ein solcher Josephson-Kontakt an Stelle des linearen Anschlußwiderstandes R_n in der Schaltung nach Fig. 2 verwenden und ein der Kurve 51 der Fig. 5 angenähertes Verhalten erreichen.

Bei der Massenproduktion der vorgeschlagenen logischen Schaltungen muß mil gewissen Toleranzen der charakteristischen Werte der in der Schaltung verwendeten Elemente gerechnet werden. Um keine sehr hohen und somit die Herstellung stark verteuernden Toleranzforderungen stellen zu müssen, ist es notwendig, für einen möglichst weitgehenden und möglichst automatisch erfolgenden Ausgleich zu sorgen. Das kritische Element ist der Josephson-Kontakt. dessen maximale Stromdichte j_mnx und somit dessen maximaler Josephson-Strom I_max gewissen Schwankungen unterliegen wird. Es kann jedoch erwartet werden, und die Erfahrung hat dies bestätigt, daß bei in großer Stückzahl gleichzeitig auf einer Grundplatte hergestellten Elementen die Streuung zwischen auf der Platte weit voneinander entfernten Elementen zwar relativ groß sein kann, benachbarte Elemente jedoch praktisch die gleichen Abweichungen vom Sollwert zeigen.

Ein automatischer Ausgleich von Abweichungen vom /,„„,.-Sollwert des Josephson-Kontakts in der Schaltung (beispielsweise 11-1 in Fig. 2) wäre also möglich, wenn in der gleichen Schaltung ein weiterer räumlich eng benachbarter, die gleichen Abweichungen aufweisender Josephson-Kontakt zur Korrektur Verwendung finden könnte.

An Hand von F i g. 7 wird erläutert, wie dies erfolgen kann: Der lineare Widerstand R_n der Fig. 2 wird ersetzt durch eine, im kleinen Schaltbild oberhalb des Diagramms gezeigte, Parallelschaltung eines doppelt so hohen linearen Widerstandes R_B' mit einem Josephson-Kontakt/?,, der für den Sollwertstrom/_fln den gleichen Widerstand wie der Widerstand R_B aufweist. Der resultierende Widerstand der Parallelschaltung entspricht also wieder dem des Widerstandes R_B. Der Josephson-Kontakt Rj weist einen erheblich geringeren Wert I_max auf als der Kon-

takt 11-1, d. h., Kontakt Rj wird beim Fließen des Ruhestroms /_Bo immer im Kennlinienbereich R_SN (s. Fig. 1 B) betriebeii, in welchem der Kontakt einem linearen Widerstand R_SN entspricht.

Gefordert wird, daß beispielsweise bei einer herstellungsbedingten Erhöhung des Wertes I_max des Josephson-Kontakts 11-1 zum Ausgleich der Stromwert /_Bo entsprechend erhöht wird. Dieses kann durch eine Reduzierung des Widerstandes der Parallelschaltung Rß'/Rj erreicht werden, d. h. durch eine Reduzierung des Widerstandes des Josephson-Kontakts Rj bzw. eine Erhöhung des dieses Element durchfließenden Stromes. Das Diagramm der F i g. 7 zeigt, daß dies in einem hinreichend großen Abweichungsbereich A'-A" vom Sollwert der maximalen Stromdichte j_max, der für die benachbarten Josephson-Elemente 11-1 und Rj als gleich anzusetzen ist, möglich ist. Die mit /_ß0 bezeichnete Kurve zeigt die Abhängigkeit des erforderlichen Ruhestroms ho — 0>9 · imax vom Wert der maximalen Stromdichte j_max. Für den Bereich A'-A", in dessen Mitte der Sollwert A liegt, ergibt sich ein praktisch lineares Verhalten. Die mit /₀ bezeichnete Gerade entspricht dem bei als konstant angenommener Speisespannung den Widerstand R_B' durchfließenden Strom, der von Toleranzen der Josephson-Kontakte nicht beeinflußt wird. Mit I_n ist der durch den Josephson-Kontakt Rj fließende Strom bezeichnet. Er wird bestimmt durch den Widerstand, den der Kontakt darstellt; dieser wiederum ist vom

Wert der maximalen Stromdichte

FüHedenWert/,_lflt muß die Summe der Ströme Z₀ und /«gleich dem erforderlichen Stromwert I_Bo sein. Im Sollwertfall muß also der dem Punkt A entsprechende Strom l_BA die Kombination R₁₁₁Rj durchfließen Bei konstanter Speisespannung betragt der Anteil"des Widerstandes R_B' stets I₀, während der Sollwiderstandswert des Josephson-Kontakts Rj den

Strom I_Ri - /₀ ^beträS¹· ^{Bei einer Abweichui}}£ ^des Wertes/ die beispielsweise dem Punkte" entspricht, muß der Strom durch den Josephson-Kontakt R, den zusätzlichen Strom I_BA -I_DA aufnehmen Dies ist möglich, da sich die \_B „-Kurve und die mit /, bezeichnete Gerade im Bereich A-A praktisch decken. Dieses wiederum bedeutet, daß die geforderte automatische Korrektur der auftretenden Abweichungen vom Sollwert der Werte j_müX und /„,_0A des Josephson-Kontakts 11-1 gewährleistet ist.

Die neue logische Schaltung ist an Hand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben worden. Dem Fachmann wird es möglich sein, die Erfindung nicht nur auf weitere Schaltungen anzuwenden, die zur Ausfuhrung anderer als der vorstehend beschriebenen logischer Funktionen eingesetzt werden können, sondern auch andere Dimensionen und Materialien zu wählen ohne von der angegebenen technischen Lehre abzuweichen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

24 089 Patentansprüche:

1. Supraleitende logische Schaltung mit wenigstens einem.Josephson-Kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephson-Kontakt (11; Fig. IA) aus einer streifenförmigen supraleitenden Elektrode (14), einer darunterliegenden Isolierschicht (13) und einem durch Elektrode und Isolierschicht definierten Bereich einer supra- ίο leitenden Grundplatte (12) besteht, daß die Elektrode an entgegengesetzten Enden (E₁, E₂) mit Stromzuführungsanschlüssen (14 a, 14 b) für Eingangs- und Ausgangsströme versehen ist, wobei einer der Anschlüsse über eine Anschlußimpedanz (Rb₁; Fig. 2) mit einer einen Ruhestrom (L_{3 0}) liefernden Spannungsquelle (K₀) geringen Innenwiderstands verbunden ist, und daß die Länge (L) des Josephson-Kontakts groß ist gegenüber der Josephson-Eindringtiefe (/.j), so daß zwei Ströme, die je einem Anschluß zugeführt werden und die beide den Maximalwert des Josephson-Stroms (I_max) des Kontakts nicht überschreiten, ohne gegenseitige Beeinflussung von den Anschlüssen über den Josephson-Kontakt zur Grundplatte fließen können, wodurch sich eine starke Entkopplung der Ströme ergibt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (L) des Josephson-Kontakts zur Josephson-Eindringtiefe (/.,) wenigstens gleich 4 ist (F i g. 1 A, 1 C).

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entkopplung eines über den ersten Anschluß des Josephson-Kontakts fließenden Stromes (I _u, Fig. 1) und eines über den zweiten Anschluß zugeführten Stromes (I_R) die Bedingungen I_B < J_max und Ir < I_n gelten.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen für logisch zu verknüpfende Eingangsströme (Z₁, I₂; Fig. 2) galvanisch miteinander verbunden sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen für Eingangsströme galvanisch mit einer Elektrode des Josephson-Kontakts verbunden sind.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode des Josephson-Kontakts galvanisch mit den Leitungen für die Ausgangsströme (L_Ll, L_L„) verbunden ist und daß die Ausgangsleitungen Lastwiderstände (R,_,, R_L2) zur Begrenzung der Ausgangs- und Rückströme enthalten.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußimpedanz (R₀) und die Ausgangswiderstände (R_Lv R_Ls) hinreichend groß gewählt sind, so daß der Spannungsabfall über dem Josephson-Kontakt bei Stromfluß nicht unter den Wert der Lückenspannung (Vf₁) absinkt (F i g. 5).

8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im supraleitenden Grundzustand des Josephson-Kontakts der von der Spannungsquclle gelieferte Ruhestrom über die Grundplatte zurückfließt und daß zum Umschalten des Josephson-Kontakts ein weiterer Strom zur Verstärkung des Ruhestroms angelegt und somit der Josephson-Kontakt in seinen normalleitenden Zustund umgeschaltet wird und damit der zweite Anschluß des Kontakts eine Potentialerhöhung erfährt.

9. Schaltung nach Anspruch 1 und 8 zur Realisierung eines UND-Gliedes, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalstrom im Josephson-Kontakt'nur dann überschritten wird, ivenn außer dem Ruhestrom alle Eingangsströme gleichzeitig

fließen.

10. Schaltung nach Anspruch 1 und 8 zur Realisierung cirjes ODER-Gliedes, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Josephson-Strom überschritten ist, wenn außer dem Ruhestrom einer von mehreren möglichen Eingangsströmen fließt.

11. Schaltung nach Anspruch 1 und 8 zur Realisierung eines Invertergliedes, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsstrom der logischen Schaltung über eine Stcuerleitung zugeführt wird, die über dem Josephson-Kontakt liegt und mit der Grundplatte galvanisch verbunden ist (Fig. 3 A, 3B).

12. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußimpedanz aus einem nichtlinearen Widerstand besteht, der einen Bereich (S) hohen difTerenticllen Widerstandes aufweist (F i g. 6 A, 6 B).

13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer Widerstand ein als »Weak Link« bezeichnetes supraleitendes Element verwendet wird (F i g. 6 A. 6 B).

14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer Widerstand ein Josephson-Kontakt dient, dessen Elektrodenmaterial einen Indiumzusatz aufweist (Fig. 6C).

15. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum automatischen Ausgleich von Sollwertabweichungen der maximalen Josephson-Stromdichte (j_nwx) bei der Herstellung des genannten Josephson-Kontakts ein zweiler Josephson-Kontakt (Rj) mit gleichem /„,„._V-Wert pnraiiei zu einem linearen Anschlußwiderstand (R_n') geschaltet ist (Fig. 7).