DE2449169A1

DE2449169A1 - Logisches verknuepfungsnetzwerk mit josephson-kontakten

Info

Publication number: DE2449169A1
Application number: DE19742449169
Authority: DE
Inventors: Hans Helmut Zappe
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-07
Filing date: 1974-10-16
Publication date: 1975-06-12
Also published as: GB1447945A; JPS5091297A; DE2449169C2; FR2254113A1; FR2254113B1; JPS5646275B2

Description

Böblingen, den 1. Oktober 19 74 te-hr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 124

Logisches Verknüpfungsnetzwerk mit Josephson-Kontakten

Die Erfindung betrifft logische Verknpüfungsnetzwerke, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

in logisches Verknüpfungsnetzwerk mit Josephson-Kontakten besteht im wesentlichen aus einer Vielzahl von logischen Verknüpfungsgliedern, beispielsweise NOR-Gliedern oder NAND-Gliedern, von de ien jedes ein oder mehrere Josephson-Kontakte als Schaltelemente 2nthält. Bekanntlich beruht die Verwendung von Josephson-Kontakten ils Schaltelement in Logikschaltungen auf ihrer besonderen Strom-Spannungscharakteristik im Gleichstromfall. Der Kontakt wird dazu über eine supraleitende Zuführungsleitung mit einem Strom beaufschlagt. Eingangssteuerströme werden als logische Eingangssignale an über dem Kontakt liegende Steuer-Supraleiter angelegt. Ein aus Weiteren Supraleitern und einem Gleichstromwiderstand bestehender {Stromkreis liegt parallel zum Kontakt und dient als Ausgangsleitung

pie logischen Eingangssignale schalten den Kontakt von einem supraleitenden Zustand, in dem keine Spannung über dem Kontakt abfällt, in einen nicht supraleitenden Zustand, um,, bei dem eine Spannung von 2 t/e, die Lückenspannung oder eine kleinere Spannung am Kontakt erscheint. In diesem Fall fließt ein Strom durch den Ausgangspfad. In einem logischen Verknüpfungsnetzwerk mit Josephson-Kontakten sind die einzelnen logischen Glieder untereinander verbunden, um komplexere logische Funktionen zu realisieren. Die Ausgangsleitungen der logischen Schaltungen von

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einer bestimmten logischen Stufe dienen dabei normalerweise als i

Steuerleitungen (logische Eingangssignale) für die Logikschaltungen in nachgeordneten logischen Stufen. Weiterhin sind viele der Josephson-Kontakte in einer Verknüpfungsschaltung vorzugsweise in Serie geschaltet, um damit den erforderlichen Arbeitsstrom für das Netzwerk zu vermindern.

In einer bevorzugten Anordnung besizt ein Josephson-Kontakt eine supraleitende Grundplatte, eine darüber angeordnete Isolierschicht und supraleitende Leitungen für die Zuführung des Arbeitsstroms, die über der Isolierschicht angeordnet sind. Der Kontakt selbst wird zwischen sich überlappenden Teilen der letztgenannten supraleitenden Leitungen hergestellt.

Das Vorn·'adensein der Grundplatte und der Isolierschicht bewirkt, daß sich die Zuführungsleitung als übertragungsleitung mit einer endlichen, nicht verschwindenden Impedanz für Spannungsimpulse darstellt. Schaltet ein Kontakt in einem Verknüpfungsnetzwerk in den Zustand mit v=2A/e um, so wandern schnell abklingende Stromimpulse zu den benachbarten Kontakten. Obwohl diese Kontakte sich für Gleichströme wie ein Supraleiter verhalten, besitzen sie für schnell abklingende Stromimpulse eine endliche,nicht verschwindende Impedanz. Als Folge davon gelangt der Stromimpuls in die Ausgangsleitungen der benachbart liegenden logischen Schaltungen und verursacht entweder ein falsches logisches Ausgangssignal oder eine irrtümliche Aktivierung einer logischen Schaltung in einer nachgeordneten Stufe. Dieses Problem wird als gegenseitige Störung oder kurz als übersprechen in dem Netzwerk bezeichnet. Die geschilderte Erscheinung ist nicht auf Schaltelemente beschränkt, die benachbart zu dem Element liegen, welches in den Zustand ν=2Δ umschaltet, sondern kann sich über das gesamte Netzwerk erstrecken.

JDie meisten logischen Glieder mit Josephson-Elementen müssen nach dem Umschalten in den Zustand v=2A/e wieder zurückgesetzt werden. Dies ist eine Folge der Hysterese-Eigenschaften in der Stromspaninungskurve eines Josephson-Kontakts für Gleichstrom. Ist der

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Kontakt einmal in den v=2^u/e Zustand gelangt, so kann er nicht mehr durch ein bloßes Zurücksetzen der logischen Eingangssignal die das Umschalten hervorgerufen haben, in den supraleitenden Zustand zurückversetzt werden. Im allgemeinen wird deshalb ein Kontakt durch Vermindern seines Arbeitsstroms zurückgesetzt.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die eben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beheben und ein logisches Verknüpfungsnetzwerk anzugeben, bei dem keine übersprecheffekte auftreten und dessen Kontakte automatisch in den supraleitenden Zustand zurückschalten.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht im wesentlichen von dem Gedanken aus, in die Zuführungsleitung des Arbeitsstroms zwischen zwei in Serie geschalteten Josephson-Kontakten ein Stück übertragungsleitung mit geringer Impedanz einzubauen. Der Abschnitt mit geringer Impedanz ist dabei von den beiden Josephson-Kontakten jeweils durch einen Abschnitt mit hoher Impedanz getrennt.

Beim Umschalten des Kontakts wandern schnell abklingende Stromimpulse durch den Abschnitt mit hoher Impedanz in Richtung auf den benachbarten Kontakt. Infolge der Pehlanpassung an der Kontaktstelle zwischen den übertragungsleitungen mit hoher und niedriger Impedanz wird jedoch der Großteil des Stromimpulses reflektiert. Der Stromimpuls, der den benachbarten Kontakt oder dessen Ausgangskreis erreicht, ist somit beträchtlich reduziert oder gar völlig verschwunden. Außerdem setzen die reflektierten Impulsanteile den Arbeitsstrom in dem umgeschalteten Tunnelkontakt genügend weit herab, um den Kontakt in den supraleitenden Zustand zurückzuversetzen.

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Diese Erfindung ermöglicht also einen vereinfachten Aufbau von logischen Verknüpfungsnetzwerken und erhöht deren Betriebssicherheit. Insbesondere lassen sich auf diese Weise große und umfangreiche Netzwerke realisieren und es brauchen keine besonderen Schaltmaßnahmen zur Korrektur von falschen Impulsen und zur Zurücksetzung der Josephson-Elemente getroffen zu werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen erläutert: Es zeigen die

Fig. IA eine perspektivische und die

Fig. IB eine schematische Darstellung eines logischen

Verknüpfungsgliedes mit einem Josephson-Kontakt,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Ausschnitts

aus einem Verknüpfungsnetzwerk mit drei logischen Josephsongliedern, die mit einer gemeinsamen Zuführungsleitung in Serie geschaltet sind,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer bevorzugten

Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren IA und IB zeigen einen Teil einer logischen Schaltung mit einem Josephson-Kontakt; die Figur IA gibt eine perspektivische, die Figur IB eine schematische Darstellung. Der Kontakt 10 besteht aus einander überlappenden Teilen der Supraleiter 12 und 14 und einer Tunnel-Oxidschicht 16. Die Supraleiter 12 und 14 dienen gleichzeitig als Zuführungsleitung für den Arbeitsstrom, der von einer externen Stromquelle an den Kontakt 10 geliefert wird. Die Supraleiter 18, 20 und die Impedanz 22 stellen einen parallel zum Kontakt 10 liegenden Ausgangsstromkreis dar.

Die in Figur IA dargestellte Struktur ist wie üblich auf einer elektrischen Isolierschicht aufgebracht, die ihrerseits auf einer (nicht gezeichneten) supraleitenden Grundplatte liegt. Außerdem

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umfaßt der Kontakt noch supraleitende Steuerleitungen, die isoliert über dem Kontakt 10 angebracht sind. Die an die supraleitenden Steuerleitungen angelegten Ströme stellen die logischen Eingangsignale.für den Kontakt dar.

Befindet sich der Kontakt in seinem supraleitenden Zustand, so ist der Spannungsabfall über dem Kontakt 0, ebenso der Ausgangsstrom I .. Eine richtig gewählte Kombination von logischen EingangsSignalen auf den Steuerleitungen schaltet den Kontakt in seinen nicht supraleitenden Zustand um, und der Spannungsabfall über dem Kontakt springt auf den Wert ν=2Δ/ε (oder weniger), wobei 2A/e die Lückenspannung des Kontakts ist. Dadurch wird ein Ausgangsstrom I . = 2A/eZ im Ausgangstromkreis hervorgerufen. Wenn der Wert von Z an die charakteristische Impedanz der Leitungen 18 und 20 angepaßt ist, erscheint der Ausgangsstrom im Ausgangskreis fast verzögerungsfrei.

Durch das Verschwinden der Eingangssignale wird der Kontakt nicht notwendigerweise in seinen Zustand mit v=0 zurückversetzt. Im allgemeinen wird der Arbeitsstrom I auf einen bestimmten minimalen Wert reduziert, um damit den Kontakt zurückzusetzen; es sind auch schon andere als das in dieser Erfindung beschriebene Verfahren zum automatischen Zurücksetzen von Kontakten bekannt geworden.

Obwohl die Supraleiter 12, 14, 18 und 20 für Gleichströme die Impedanz 0 aufweisen, verhalten sie sich in der Kombination mit der Grundplatte und der dazwischenliegenden Isolatorschicht als übertragungsleitungen mit endlichen, nicht verschwindenden charakteristischen Impedanzen. Liegen dann in einem logischen Verknüpfungsnetzwerk mehrere der in den Figuren IA und IB gezeigten Josephsonglieder in₍ Serie geschaltet hintereinander, so stellt sich beim Durchgang von schnell abklingenden Stromimpulsen durch die Übertragungsleitungen das Problem des Nebensprechens, d. h. der gegenseitigen Beeinflussung der Glieder.

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;Das Problem wird nun anhand von Figur 2 er läutert,.in der schematisch drei Logikglieder mit Josephson-Elementen dargestellt sind. Die Kontakte 30, 32 und 34 liegen in Serie geschaltet in der gleichen Zuführungsleitung, um auf diese Weise die benötigte Versorgung für den gesamten Arbeitsstrom der Kontakte zu reduzieren. Wie in der Figur angedeutet, soll ein Gleichstrom I angelegt werden.

tfird durch eine entsprechende Kombination von logischen Eingangssignalen (nicht dargestellt), beispielsweise nur der Kontakt 32 jin den Zustand v=2 Ve umgeschaltet, so erscheint in dem Ausgangsjkreis 38 ein Strom. Dieser Strom zeigt entweder nur das logische kusgangsignal 1 für das betreffende Glied dar, er kann aber auch als logisches Eingangssignal für die Steuerleitung eines weiteren !(nicht gezeigten) Josephson-Kontaktes im gleichen Netzwerk Verwendung finden.

Beim Umschalten des Kontakts 32 in den Zustand V=2A/e erscheinen an den Punkten 42 und 44 Spannungsimpulse +Δ/e und -Δ/e. Die diesen schnell abklingenden Spannungsimpulsen zugeordneten Stromimpulse wandern auf den ubertragungsleitungen in Richtung auf das logische Verknüpfungsglied mit dem Kontakt 30 und dem Ausgangskreis 36 und ebenso auf das logische Verknüpfungsglied mit dem Kontakt 34 und dem Ausgangskreis 40. Die Ausgangkreise 36, 38 und 40 sind durch geeignet gewählte Impedanzen abgeschlossen, in der Figur mit Z bezeichnet. Die schnell abklingenden Stromimpulse wandern nicht nur durch die Zuführungsleitung, die ubertragungsleitungen und den nicht umgeschalteten Kontakt, sondern auch auf len ubertragungsleitungen der Ausgangskreise. Der Stromimpuls im Ausgangskreis kann dabei fälschlicherweise als Ausgangssignal

•j 1 aufgefaßt werden oder er kann eine nachfolgende logische Stufe umschalten.

Eine Lösung dieses Problems ist in Figur 3 dargestellt; dort sind drei Verknüpfungsglieder dargestellt, deren Kontakte 60, 62 und 64 in Reihe mit einer Zuführungsleitung geschaltet sind. Wie in

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den anderen Zeichnungen sind Grundplatte, Isolatoren 'und Steuerleitungen nicht dargestellt.

Die Zuführungsleitung für den Arbeitsstrom I der Kontakte besteht aus den Abschnitten 66, 72, 78 und 84, die jeweils eine geringe charakteristische Impedanz Z_L aufweisen und außerdem aus den Abschnitten 68, 70, 74, 76, 80 und 82 mit jeweils einer großen charakteristischen Impedanz Z„. Mit dieser Anordnung können nicht nur Nebensprecheffekte reduziert oder ausgeschaltet werden, sie erlaubt außerdem, das automatische Zurücksetzen der Kontakte.

In Figur 3 sind die Kontakte 60, 62 und 64 jeweils mit einem Ausgangskreis verbunden, dessen Abschußwiderstände in Übereinstimmung mit der Nomenklaturen in den Figuren IA, IB und 2 mit Z bezeichnet sind.

Schaltet der Kontakt 62 in den Zustand v=2A/e um, erscheinen schnell abklingende Spannungsimpulse +Δ/e und -Δ/e an entgegengesetzten Enden des Kontakts. Diese Impulse rufen Stromimpulse auf den übertragungsleitungen hervor, die aus Zuführungsleitung Isolatorschicht - Grundplatte bestehen. Die Stromimpulse werden jedoch an den Stellen der Fehlanpassung beim übergang von großer zu kleiner Impedanz reflektiert. Der Grad der Reflexion hängt von der Fehlanpassung ab. Die ümsehaltStromimpulse, die in Richtung auf benachbarte logische Verknüpfungsglieder wandern, werden also durch die angegebene Konfiguration ausgeschaltet oder zunindest beträchtlich reduziert. Außerdem wandern die an der Fehlanpassungsstelle reflektierten Stromimpulse in den umgeschalteten Kontakt zurück und überlagern sich mit negativen Vorzeichen.dem Gleichstrom, der als Arbeitsstrom in dem Kontakt fließt; dadurch wird der Arbeitsstrom auf einen so geringen Wert reduziert, daß er Kontakt in den supraleitenden Zustand zurückschaltet.

ie Zuführungsleitung umfaßt entsprechend dem Stand der Technik supraleitende Abschnitte, die isoliert über der Grundplatte liegen Im Unterschied zum Stand der Technik weisen aber die verschiedenen

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ί , -8-

;Abschnitte der Zuführungsleitung große bzw. kleine charakteristische Impedanzen auf. Beispielsweise kann das Verhältnis Z„/Z_T

rl Lt

10 betragen, es sind aber auch andere passende Verhältniszahlen

!möglich. Das Verhältnis Z_T-/Z-_ muß so gewählt werden, daß die jJosephson-Kontakte genügend gut voneinander isoliert sind und daß eine ausreichende Stromreflexion auftritt, um die Josephson- ;Kontakte zurückzusetzen. Je größer das Verhältnis Z„/Z_T gemacht

I χι Xi

;wird, desto geringer sind die Energieverluste an der Reflexionsstelle und desto einfacher wird das Zurücksetzen des Tunnelkonjtakts. Die Schaltkreise werden also vorteilhafterweise so ausge- !legt werden, daß sich genügend große Werte des Verhältnisses iZ„/Z_T ergeben. Die absoluten Werte der Impedanzen spielen jedoch , η L·

j für die vorliegende Erfindung keine wichtige Rolle; sie sind durch andere Faktoren bestimmt, wie z. B. die Geometrie des Verknüpifungsgliedes und durch Materialfragen.

Die charakteristische Impedanz einer übertragungsleitung der besprochenen Art kann durch mehrere wohlbekannte Techniken wählbar eingestellt werden. Jede dieser Techniken kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wenn sich mit ihr nur das gewünschte Impedanzverhäitnis erreichen läßt. Die charakteristische Impedanz kann beispielsweise veringert werden, indem der Supraleiter breiter gemacht wird (wie es schematisch in Figur 3 dargestellt ist), indem der Isolator zwischen der Zuführungsleitung und der Grundplatte dünner gemacht wird, indem ein Isolator mit einer größeren dielektrischen Konstante verwendet wird oder indem ein Isolator mit einer geringeren magnetischen Permeabilität verwendet wird.

Vergrößern läßt sich die charakteristische Impedanz durch Verkleinern der Breite des Supraleiters, durch Verwendung eines dickeren Isolators zwischen der Zuführungsleitung und der Grundplatte, durch einen Isolator mit einer kleineren Dielektrizitätskonstante oder durch Verwendung eines Isolators mit einer größeren magnetischen Permeabilität.

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Vorzugsweise wird für die tjbertragungsleitungen, die durch die Supraleiter im Äusgangskreis gebildet werden, eine charakteristische Impedanz gewählt,, die zwischen den hohen bzw. niedrigen Impedanzwerten der verschieden Abschnitte der Zuführungsleitung liegt.,Diese Wahl ist auch im Hinblick auf das oben besprochene Verhältnis der Impedanzen Z_xVZ₁. angebracht. Der Impedanzwert des

•HL·

Ausgangskreises scheint aber keinen kritischen Einfluß auf die Wirkungsweise des Netzwerkes und der Erfindung zu besitzen.

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Claims

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PATENTAMSPRÜCHE

Logisches Verknüpfungsnetzwerk mit Josephson-Kontakten, das aus mindestens zwei in Reihe geschalteten und durch eine gemeinsame Zuführungsleitung für den Arbeitsstrom verbundenen Verknüpfungsgliedern mit je einem Josephson-Kontakt und einem parallel dazu angeordneten Ausgangskreis besteht, dadurch gekezeichnet, daß in der Zuführungsleitung zwischen zwei benachbarten Verknüpfungsgliedern mindestens eine Übergangsstelle mit Fehlanpassung der beiderseitigen charakteristischen Impedanzwerte enthalten ist,

Verknüpfungsnetzwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet:, daß in die Zuführungsleitung (z. B. 70, 74 Figur 3) mit relativ hoher Impedanz ein Abschnitt geringer Impedanz (72) in ungefähr symmetrischer Anordnung zwischen zwei benachbarte Verknüpfungsglieder (60, 62) eingebaut ist und somit zwei Fehlanpassungstellen der Impedanz entstehen.

3. Verknüpfungsnetzwerk nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch

gekennzeichnet, daß das Verhältnis der charakteristischen

j Impedanzwerte beiderseits der Fehlanpassungsstelle ausreichend groß gewählt ist, um den Durchgang der Umschaltimpulse einejp in den normal leitenden Zustand schaltenden Josephson-Kontakts in benachbart liegende Ausgangskreise zu verhindern und um das umgeschaltete Element wieder in seinen supraleitenden Zustand zurückzuschalten.

4. Verknüpfungsnetzwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Impedanzen beiderseits der Fehlanpassungsstelle ungefähr 10 beträgt.

5. Verknüpfungsnetzwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Impedanz der Leitungen des Ausgangskreises (z. B. 36,

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Figur 2) einen Wert aufweist, der zwischen den Werten der Impedanzen beiderseits der Fehlanpassungsstelle liegt.

Verknüpfungsnetzwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis S, wobei die Zuführungsleitung aus einem Supraleiterzug besteht, der auf einer dünnen Isolierschicht über einer supraleitenden Grundplatte angeordnet ist und einen Mittelabschnitt verringerter Impedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzverringerung durch Verbreiterung des Iieiterzuges erfolgt.

Verknüpfungsnetzwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzverringerung durch eine Verringerung der Dicke der Isolatorschicht zwischen Zuführungsleitung und Grundplatte erfolgt.

Verknüpfungsnetzwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzverringerung durch Einbau einer Isolatorschicht mit einer größeren Dielektrizitätskonstante erfolgt.

Verknüpfungsnetzwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzverringerung durch Verwendung einer Isolatorschicht mit einer kleineren magnetischen Permeabilität erfolgt.

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