DE2455501B2

DE2455501B2 - Logische Speicher- und Verknüpfungsschaltung mit Josephson-Elementen

Info

Publication number: DE2455501B2
Application number: DE2455501A
Authority: DE
Inventors: Werner Baechtold; Pierre Leopold Gueret
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-13
Filing date: 1974-11-23
Publication date: 1980-12-04
Also published as: US3953749A; GB1483110A; JPS5320370B2; FR2254883B1; NL7416229A; DE2455501C3; CA1035042A; CH559481A5; FR2254883A1; JPS5092670A; DE2455501A1; IT1026648B

Description

Die Erfindung betrifft einen binären Schaltkreis mit Schaltkreiseirmenten, welche supraleitende Tunneleffekte ausnutzen, für die Speicherung und/oder die logische Verknüpfung binär codierter Daten.

Binäre Schaltkreise finden Anwendung in allen Arten von Geräten und Einrichtungen, welche binär codierte Daten verarbeiten. Dies können Rechenanlagen sein, Telefonzeniralen oder andere Einrichtungen zur Übertragung binärer Daten. Haben solche Schaltkreise bistabiles Schaltverhalten, kann man daraus Speichereinrichtungen, Schieberegister, Zähler oder ähnliche Geräte aufbauen. Haben -solche Schaltkreise monostabiles Schaltverhalten, dann kehren sie nach dem Aufhören der Eingangssignal in ihn; Ausgangslage selbsttätig zurück. Binäre Schaltkreise solcher Art sind insbesondere für den Aufbau von logischen Verknüpfungsschaltungen aller Art geeignet

Unter Supraleitung versteht man das vollständige Verschwinden des elektrischen Widerstandes einer Anzahl von Metallen und Legierungen bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Supraleitfähigkeit tritt unterhalb einer gewissen Temperatur spmngärtig auf. Diese sogenannte SprUfigtempcrätüT ist für verschiedene Materialien verschieden. Unter dem Namen Kryotron bekannte beinäre Schaltelemente nutzen den Übergang des Materials vom supraleitenden zum nortnalleitenden Zustand und umgekehrt aus. Dieses wechselnde Erzeugen und Zerstören der Supraleitfähigkeit beim Kryotron durch steuernde Ströme oder Magnetfelder bewirkt einen Phasenübergang in mindestens einem der Materialien. Dieser Phasenübergang geht von Keimzentrsn aus und verbreitet sich über den Querschnitt, bis das gesamte Material in dem neuen Phasenzustand sich befindet. Naturgemäß braucht dieser Phasenübergang eine gewisse Zeit, weshalb die Schaltvorgänge nach heutigen Begriffen relativ langsam verlaufen. Ein schwerwiegender Nachteil des Kryotrons ist auch die Tatsache, daß das Material im normal leitenden Zustand einen

ίο Ohm'schen Widerstand aufweist und deshalb der Leistungsverbrauch nicht vernachlässigt werden kann.

Sind zwei Supraleiter durch eine dünne, nicht supraleitende Schicht getrennt, so können unter Umständen Elektronen unter der Wirkung von Feldern diese eigentlich nicht überwindbare Potentialschwelle überwinden, indem sie sie sozusagen in einem Tunnel unterlaufen. Diesen Effekt nennt man daher Tunneleffekt. Einzel-Elektronen oder Quasi Teilchen können solche Barrieren durchtunneln. wobei sie eine Po te mi aldifferenz entsprechend der Größe der Lückenspannung durchlaufen. Diese Energielücke entspricht im Bändermodell der Elektronen dem in Energiecinheiten gemessenem Abstand der Bänder zweier möglicher Energiezustände. Sie ist eine Materialeigenschaft und daher von Material zu Material verschieden. Neben diesem tunneleffekt der Quasi-Teilchen gibt es jedoch noch einen weiteren supraleitenden Tunneleffekt, bei dem gebundene Elektronenpaare beteiligt sind. In einem supraleitenden Metall sind die im überwiegen-

jo dem Maß beteiligten Ladungsträger über die Elektron-Phonon-Wechselwirkung mit dem Atomgitter gekoppelte Elektronenpaare, die nach einem Physiker Cooper-Paare genannt werden. B. D. Josephson hat nun vorausgesagt, daß es in genügend dünner. Isolierschich-

v, ten ..wischen zwei supraleitenden Metallen auch einen Tunneleffekt geben müsse, dessen Träger Cooper-Paare sind. Bei diesem josephson Tunneleffekt verhält sich also auch ein Isoliermaterial wie ein supraleitendes Metall. Das bedeutet, daß bei dieser Art des Tunnelns keine Potentialdifferenz durchlaufen wird. Die grundlegende Arbeit ist ein Artikel »Possible New Effects in Superconductive Tunneling«, der von B. D. Josephson im Heft Nr. 7 des Bandes Nr. 1 der Zeitschrift Physics Letters vom !. Juli 1962 auf den Seiten 25Ί bis 253 veröffentlicht wurde.

Diese vorausgesagten Effekte wurden gefunden und inzwischen in vielerlei technischen Einrichtungen verwendet. Einen guten Überbiick über das gesamte Gebiet dieser neuen Technik bietet das im Jahre 1972 im

ίο Verlag Chapman and Hall, London erschienene Buch von L Solymar »Superconductive Tunnelling and Applications«.

Josephson-EIemente sind im allgemeinen sogenannte Jobephson-Kontakte, d. h. die durch Tunnelströme zu überwindende Barriere besteht aus ein^r dümien Oxydschicht zwischen zwei supraleitenden Zuleitungen. Zum Steuern des Schaltverhaltens des Elementes ist mindestens eine Steuerleitung vorgesehen. Ein ähnliches Schaltverhalte- zeigen jedoch auch Schaltelemente mit Vorrichtungen zur schwachen Kopplung von zwei Supraleitern. Bei diesen ist die Oxydschicht durch beispielsweise eine schwache KontaH-Bricke ersetzt. Die bei Temperaturen von wenigen Grad Kelvin arbeitenden supraleitenden Josephson-EIemente kön-

h-i nen, abhängig vom ·>ε durchfließenden Strom, zwei veischiedene Zustände einnehmen. Im Bereich unterhalb des sogenannten maximalen losephson-Stromes /,„,,, fließt ein von Cooper-Paaren getragener Tunnel

strom. Man spricht von l'aartunneln, der Spannungsabfall über dem Element ist hierbei gleich Null. Das Element ist im »supraleitenden« Zustand. Bei Überschreiten des Stromwertes /_ma, schaltet das Element in den anderen Zustand um, der spannungsbehaftet ist. Der ; jetzt fließende Strom ist immer noch ein Tunnelstrom, der aber jetzt im wesentlichen von einzelnen Ladungsträgern oder Quasi-Teilchen getragen wird. Der Vorgang des Teilchentunnelns ist spannungsbehaftet, wobei der durch den Tunnelstrom hervorgerufene i< > Spannungsabfall der Energielückenspannung Vr, entspricht.

Im Folgenden wird dieser Zustand vereinfachend als »normalleitend« bezeichnet. Dieser sogenannte normalleitende Zustand eines Josephson-Elementes ist auf η keinen Fall mit dem normalleitenden Zustand des oben erwähnten Kryotrons zu verwechseln, bei welchem mit dem norrnaüciicridcn Zustand sin Phasenübergang des Metalls verbunden ist. Beim sogenannten normalleitenden Zustand eines )osephson-Elementes bleiben die Zuleitungen im supraleitenden Zustand und durch die isolierende Zwischenschicht fließt ein Ein-Teilchen-Tunnelstrom. Bei Josephson-Elementen tritt daher ein sehr kleiner Spannungsabfall auf, der nur geringe Stromwärmeverluste verursacht. Wird nach erfolgtem ?^r> Umschalten in den normalleitenden Zustand der Strom wieder reduziert, so tritt ein Hysterese-Effekt auf, d. h. der Rückstellvorgang durch Übergang zum supraleitenden Zustand erfolgt bei einer Stromstärke, die beträchtlich unter dem Wert /_mj, liegt. Der Wert des w maximalen Josephson-Stromes l_ma, kann durch von außen an das Element angelegte magnetische Steuerfelder beeinflußt werden, die zweckmäßig von Strömen durch benachbarte Steuerleitungen eingekoppelt werden. Die Abhängigkeit des Wertes des maximal möglichen Josephson Stromes vom äußeren Magnetfeld bzw. vom Steuerstrom zeigt unterschiedlichen Verlauf, je nachdem, ob es sich um sogenannte kurze Josephson-Kontakte oder um sogenannte lange Josephson-Kontakte handelt.

Da Josephson-EIemente zwei unterscheidbare Zustände einnehmen können, sind sie zur Verwendung in binären Schaltkreisen geeignet. Im US-Patent 32 81 609 wird ein supraleitendes Schaltelement beschrieben, das Tunneleffekte ausnutzt. Zu verknüpfende Eingangsströme werden einem Josephson-Kontakt zugeführt. Überschreitet der den Josephson-Kontakt durchfließende Strom den Wert des maximal möglichen Josephson-Stromes, schaltet der Kontakt in den normalleitenden Zustand um. Hieraus resultiert ein Ausgangsstrom, der durch einen, dem Josephson-Kontakt parallel geschalteten Lastwiderstand fließt. Wie solche Schaltungen mit weiteren logischen Schaltkreisen zusammenarbeiten können, ist in dieser Patentschrift nicht gezeigt. Ein Beispiel der Anwendung von Josephson-Elementen in binären Speichereinrichtungen ist in dem US-Patent 36 26 391 beschrieben. Ringströme in supraleitenden Schleifen repräsentieren durch ihren Richtungssinn die Binärwerte. Sowohl das Umschalten der Siromrichtung als auch das Abfühlen der Speicherwerte erfolgt mittels Josephson-Elementen.

Josephson-EIemente zur Verwendung als logisches Verknüpfungsglied werden in einem Aufsatz von J. Matisoo »The Tunneling Cryotron — A Superconductive Logic Element Based on Electron Tunneling« beschrieben, der in der Zeitschrift Proceedings of the IEEE, im Heft Nr. 2 des Bandes 55, im Februar 1967 erschienen ist Dieser Aufsatz beschreibt im wesentlichen das .Schaltverhalten eines einzelnen Elementes. Nur ein in einer Figur angedeutetes Beispiel weist auf das Steuern der Verteilung des Stromes in den beiden Zweigen einer supraleitenden Schleife hin. Logische Verknüpfungsschaltungen sind sonst in dieser Veröffentlichung weiters keine gezeigt.

Es ist auch bereits eine binäre Verknüpfungsschaltung mit Josephson-Elementen bekannt (US-Patent 37 58 795). wobei parallel zum Josephson-Kontakt eines Elementes eine mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossene Leitung liegt. Im supraleitenden Zustand fließt der Strom im wesentlichen über den Josephson-Kontakt, im normalleitenden Zustand über die Leitung. Weitere Elemente können mittels des Stromes in dieser Leitung angesteuert werden. Diese Art von logischer Verknüpfungsschaltung ist jedoch nicht selbsttätig rückstellend ausgebildet. Zum Rückstellen der |osephsen-EleiTienie in den su^rsleit^n^^n Zus?3n*] iM *** vi<»i mehr erforderlich, den durch sie fließenden Strom kurzzeitig /u unterbrechen. Eine solche Betriebsweise verlangt daher einen zusätzlichen Schaltschritt, der naturgemäß Zeit braucht und damit die Schnelligkeit der Schaltkreise empfindlich herabsetzt. Im Heft Nr. I des Bandes 16 des IBM Technical Disclosure Bulletin vom Juni 1973 ist auf den Seiten 347 und 348 ein einsteilbares Verzögerungsglied in der genannten Technik dargestellt. Zwei solche logischen Verkntipfungsschaltungen mit in ihrem Wellenwiderstand abgeschlossenen Ausgangsleitungen, nämlich ein ODER-Glied und ein UND-Glied sind hintereinander geschaltet. Durch Verändern ier Vorspannung an einem Eingang des UND-Gliedes kann die Verzögerungsdauer eingestellt werden.

Es wurde auch ein Josephson-Element als logisches Verknüpfungsglied vorgeschlagen, welches selbsttätig zurückstellend ausgebildet ist (DE-OS 23 46 746). Durch geeignete Wahl der Betriebsparameter kann ein solches Schaltverhalten des Josephson-Elementes bewirkt werden. Jedoch verlangt dieses Verfahren eine außerordentlich hohe Stromdichte im Josephson-Kontakt und enge Toleranzen, die im großtechnischen Rahmen schwierig einzuhalten sind.

Im Jahre I960 wurde ein bei Raumtemperatur arbeitender binärer Schaltkreis bekannt, bei welchem zwei identische Schaltkreiselemente in Serie geschaltet sind. E. Goto und Mitarbeiter veröffentlichten in den IRE Transactions on Electronic Computers, Band EC-9 im Heft Nr. 1 vom März 1960 auf den Seiten 25 bis 29 den Aufsatz »Esaki Diode High-Speed Logical Circuits«. Darin wird das sogenannte Goto-Paar od : die Esaki Dioden Zwillingsschaltung beschrieben. Die Schaltung hat zwei stabile Arbeitspunkte, wenn sie an eine feste Spannung gelegt wird. Die an der Serienschaltung zweier Tunneldioden anliegende feste Spannung verteilt sich ungleichmäßig über beide Schaltkreiselemente. Ob der größere Spannungsabfall dabei an der einen oder der anderen der Tunneldioden auftritt, hängt davon ab, welcher Steuerstrom im Augenblick des Anlegens an die feste Spannung in den Verbindungspunkt der beiden Dioden eingespeist wird. Es ist nur Impulsbetrieb möglich, da für jeden Schaltvorgang die speisende Spannung erneut angelegt werden muß.

Die leitende Verbindung zweier Josephson-EIemente in Serie ist für eine {mpulsfonrier-Schairdrig durch das IBM Technical Disclosure Bulletin bekannt geworden, und zwar durch die Seiten 3561 und 3562 des Heftes Nr. 11 des Bandes 15 vom April 1973. Die Schaltung

verwandelt unipolare Eingangsimpulsc in bipolare Ausgangsimpulse. Die Serienschaltung ist an eine Impulsstromquelle angeschlossen, welche die Taktimpuke liefert. Die unipolaren Eingangssignale werden durch die gegeneinander in Fteihe geschalteten Steuerleilungen der beiden Josephson-Elcmente geschickt. Bei Koinzidenz eines Steuerimpulses mit einem Taktimpuls wird ein Ausgangssignal der einen Polarität geliefert, bei Vorliegen nur eines Taktimpulses wird ein Ausgangssignal der anderen Polarität geliefert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik und den geschilderten Nachteilen stellt sich die vorliegende t rfindting die Aufgabe, ein; nicht im Impulsbetrieb arbeitende Schaltung mit Josephson-Elcmcntcn anzugeben, die so ausgelegt werden kann, daß sie sowohl für Speicherzwecke als auch fü- selbstrückstellcnde logische Verkniipfungsglieder verwendbar ist.

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

Im wesentlichen schlägt die Erfindung zur Lösung der gestellten Aufgabe vor, zwei Josephson-Kontakte mit jeweils parallel liegenden Lastimpedanzen in Reihe zu schalten und diese Reihenschaltung an eine Spannungsquelle mit niederem Quellcnwiderstand anzuschließen. Die von der Quelle gelieferte Spannung ist dabei ungefähr gleich der Energielückenspannung eines losephson-Eiementes, d.h. die angelegte Spannung reicht nicht aus, um beide Josephson-Kontakte in den normalieitendcn Zustand umzuschalten. Von dem hintereinandergeschalteten Paar von Kontakten befindet sich demzufolge immer der eine im normalleitenden und der andere im supraleitenden Zustand. Wird nun der supraleitende Kontakt durch ein von außen angelegtes Steuersignal in den normalleitenden Zustand übergeführt, so schaltet gleichzeitig der bisher normalleitende Kontakt in den supraleitenden Zustand um.

Die beiden )osephson-Kontakte dieser Schaltung können nun identisch oder voneinander verschieden aufgebaut sein: Im ersten Fall verhält sich die Schaltung bistabil, d. h. nach dem Verschwinden des Eingangssignals bleibt der einmal eingestellte Zustand erhalten, im zweiten Fall ergibt sich ein monostabiler Zustand, der ohne Vorhandensein eines Eingangssignals immer in den durch die Schaltungsparameter vorgegebenen Zustand zurückfällt.

Beide Ausführungen des Schaltkreises lassen sich für eine Vielzahl von Speicher- und Logikschaltungen verwenden, je nachdem, welche Kombinationen von Eingangssteuersignalen an die Josephson-Kontakte gelegt werden.

Die Vorteile dieser Erfindung lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

Die hier auftretende relativ geringe Stromdichte in den Josephson-Kontaklen stellt keine besondere Anforderungen an die Einhaltung der Betriebs- und Herstellparameter der Schallung.

Die Schaltung arbeitet sehr schnell und ist in ihrer Geschwindigkeit vergleichbar mit den sehr kurzen natürlichen Umschaltzeiten der Josephson-Kontakte selbst.

Mit dem Ausgangssignal der Schaltung kann eine große Zahl von nachgeordneten Verarbeitungsgliedern gesteuert werden.

Speicher- und Verknüpfungselemente lassen sich leicht innerhalb einer Schallungsgruppe mit gemeinsamem Substrat zusammenfassen, da beide Funktionen

durch dieselbe Schaltung realisiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. I das Prinzipschaltbild der wesentlichen Bauelemente der Grundschaltung nach der Erfindung;

Fig. 2 die statische Kennlinie eines Josephson-Elementes zur Erläuterung des Schaltverhaltens und zur geometrischen Bestimmung des Arbeitspunktes des losephson-Eiementes im normalleitenden Zustand;

F ig. 3 Kennlinien zur Erläuterung der Bedingungen für die kleinstmögliehe Spannung V_min. bei der noch ein selbsttätiges Rückstellen eines Josephson-Elementes vom normalieitendcn in den supraleitenden Zustand erfolgt;

F i g. 4 das Schaltbild einer bistabilen Schallung;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der bislabilen Schaltung nach F i g. 4 in integrierter Schaltungstechnik:

F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel einer logischen Verknüpfungsschaltung in integrierter Schaltungstechnik:

F i g. 7 das Schaltbild des Beispiels nach F i g. 6 in der Ausführungsform als UN D-Glied bzw. ODER-Glied;

F i g. 8 das Schaltbild des Ausführungsbeispieles nach Fig. 6 als inverlierende Verknüpfungsschaltung zur Ausführung der logischen NAND-Funktion bzw. NOR-Funktion;

Fig. 9 schematisch die Steuerkennlinien der Verknüpfungsschaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6;

Fig. 10 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer logischen Verknüpfungsschaltung mil einer zusätzlichen Steuerleitung zum Aufbringen eines vorspannenden Steuerstromes Im;

Fig. 11 schematisch die Steuerkennlinien der Verknüpfungsschaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 10;

Fig. 12 ein Schaltungsbeispiel für die Stabilisierung des vorspannenden Steuerstromes Im;

Fig. 13 Kennlinien zur Erläuterung der Arbeitsweise der Stabilisierungsschaltung nach Fig. 12;

F ig. 14 schematisch ein Schaltbeispiel der gemeinsamen Stromversorgung einer Anzahl von binären Schaltkreisen in mehreren Ebenen, wobei in jeder Ebene einzelne Gruppen von binären Schaltkreisen eine gemeinsame Schaltung zur Spannungsstabilisierung besitzen;

F i g. 15 schematisch ein Schaltungsbeispiel, wie in der Stromversorgung nach Fig. 14 die Spannung für die Schaltung zur Stabilisierung des vorspannenden Steuerstromes nach den Fig. 12 und 13 gewonnen werden kann;

Fig. 16 schematisch ein Beispiel der Verbindung mehrerer binärer Schaltkreise untereinander.

Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Bauelemente der Grundschaltung des binären Schaltkreises nach der Erfindung. Eine Spannungsquelle Vc mit der hier zunächst als rein ohmisch angenommenen Quellenimpedanz Rs liefert die Spannung für die Serienschaltung zweier Josephson-Elemente J\ und /2. Parallel zum ersten Josephson-Element J\ ist eine Belastung Rn geschaltet; parallel zum zweiten Josephson-Element /2 ist eine gleichartige Belastung Rl 2 geschaltet Jedes der Josephson-Elemente kann durch Steuerströme /ei bzw. /c2 geschaltet werden. Die Bezeichnung In bedeutet hier beispielsweise den wirksamen Steuerstrom für das erste Josephson-EIement /1. Die Josephson-Elemente können Josephson-Schalter mit einer oder mehreren

Steuerleitungen über dem Josephson-Kontakt sein. Dabei können diese Steuerleitungen in der gleichen Richtung verlaufen wie die Zuleitungen zum Kontakt, oder sie können auch quer dazu verlaufen. Der mit einem Pfeil in der Figur angedeutete wirksame Steuerstrom kann daher die Summe aller Steuerströme in den Steuerleitungen sein, wobei die Stromrichtung in parallelen Steuerleitungen auch einander entgegen gerichtet sein kann. Auch ist es möglich, die Steuerströme galvanisch zu koppeln und über dem Josephson-Kontakt durch nur eine einzige dort vorhandene Steucrlcitung zu schicken. Wesentlich ist, daß die speisende Spannung Vc, etwa der Energielückenspannung eines Josephsonelernentes entspricht. Diese Spannung kann sich über die Serienschaltung nur ungleichmäßig verteilen, indem der Spannungsabfall entweder an dem ersten Josephson-Element auftritt, wobei das zweite Josephson-Element supraleitend ist, oder umgekehrt. Es ist jedenfalls unmöglich, daß beide Josephson-Elemente der Serienschaltung sich gleichzeitig im spannungsbehafteten, normalleitenden Zustand befinden können.

Fig. 2 zeigt in willkürlichen Einheiten die statische Strom-Spannungs-Kennlinie eines Josephson-Elementes. Befindet sich das Element im supraleitenden Zustand, dann tritt über dem Josephson-Kontakt keine Spannung auf. Dieser Zustand ist durch den Asi der Kennlinie dargestellt, der mit der Ordinatenachse zusammenfällt. Der Josephson-Strom bei der Spannung Null kann bis zu einem Maximalwert l_max fließen. Dieser maximale Josephson-Strom ist vom äußeren Magnetfeld abhängig, das bekanntlich auch durch einen Steuerstrom aufgebracht werden kann. Wird der maximale Josephsonstrom überschritten, oder wird der maximal mögliche Stromwert durch ein äußeres Feld herabgesetzt, dann schaltet — gestrichelt dargestellt — der Josephson-Kontakt in den normalleitenden Zustand bei der Energielückenspannung Va. Wird der speisende Strom herabgesetzt, so tritt die Rückstellung in den supraleitenden Zustand - gestrichelt dargestellt - bei einem minimalen Stromwert /«w und einer dazugehörigen Rückstellspannung Vsns auf. Die Werte der Rückstellspannung, des Rückstellstromes sowie auch unter Umständen der Verlauf der Kennlinie können sehr stark von den im Schaltkreis vorhandenen Impedanzen abhängen. Bei sehr geringer Quellenimpedanz kann der Rückstellpunkt beispielsweise nicht genügend klar definiert sein, so daß ein sicheres Rückstellen nur durch Abschalten des speisenden Stromes erreichbar ist. Durch Einführen von Induktivitäten kann jedoch trotz kleinen Last- und Quellenwiderständen ein gut definierter Rückstellpunkt erreicht werden.

Der Arbeitspunkt im normalleitenden Zustand des Josephson-Kontaktes kann in einfacher Weise geometrisch bestimmt werden. Der durch die parallel geschaltete Belastungsimpedanz Rl fließende Strom Irl wird graphisch zu dem über den Josephson-Kontakt fließenden Strom // addiert Die Widerstandsgerade geht durch den Koordinatenursprung und bildet mit der Abszissenachse einen Winkel φ, wobei der Kotangens Jieses Winkels der Belastungsimpedanz entspricht In dem neuen schiefwinkligen Koordinatensystem wird von der Energielückenspannung Vc der an der Quellenimpedanz Λ« auftretende Spannungsabfall

(h + Irl)- Rs
abgezogen, um den sich einstellenden Arbeitspunkt aufzufinden. Ma ■ ersieht daraus, daß die Quellenimpedanz zweckmäßig sehr niedrig ist, jedoch einen gewissen Mindestwert aufweisen muß.

Die Rückstellspannung Vmin liegt etwa in der Größenordnung der halben Energielückenspannung V_a. Die kieinstmögliche Spannung Vmin, bei der noch ein selbsttätiges Rückstellen des Josephson-Elcmcntcs vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand erfolgt, kann leicht abgeschätzt werden. Zur Erläuterung dient

ίο die Fig. 3, welche für diesen Zweck geeignete Strom-Spannungs-Kennlinien zeigt. Mit /, ist der Ast der Kennlinie bezeichnet, welcher den durch den Josephson-Kontakt im normalleitenden Zustand fließenden Strom darstellt. Die der Belastungsimpedanz /?, entsprechende Widerstandsgrade ist hier positiv verlaufend im ersten Quandranten eingetragen. Die der Quellenimpedanz Rs entsprechende Gerade verlauf», vom Punkte Vc, auf der Abszissenachse aus aufwärts. Der zu einer bestimmten Spannung V gehörige Strom durch die dem Josephson-Kontakt parallel geschaltete Belastungsimpedanz kann als Ordinate der Widerstandsgeraden abgelesen werden. In dem in der Figur eingezeichneten Beispiel bei der Spannung Vmin beträgt der Strom durch die Belastungsimpedanz Vmin/Ri.-

2Ί Addiert man dazu graphisch den durch den Josephson-Kontakt fließenden Strom Imin, so erhält man einen Punkt, der hier mit I'min bezeichnet ist. Auf diese Weise läßt sich eine weitere — strichpunktiert dargestellte — Kennlinie des Stromes durch die Parallelschaltung von

to Josephson-Kontakt und Belastungsimpedanz ermitteln. Diese Kennlinie ist in der Figur mit //+ Im. bezeichnet. Daraus können die Arbeitsbedingungen für den sich gerade im normalleitenden Zustand befindlichen Josephson-Schalter abgelesen werden. Denn in der Serienschaltung der beiden Josephson-Elemente ist der andere Josephson-Schalter zu diesem Zeitpunkt im supraleitenden Zustand, so daß an ihm kein Spannungsabfall auftritt und die gesamte verfügbare Spannung an der Parallelschaltung des gerade normalleitenden Josephson-Elementes mit seiner Belastungsimpedanz liegt. Um nun eine untere Grenze für Vmin ebschätzen zu können, ist — gestrichelt dargestellt — eine weitere Kennlinie 2 (I/+ Im.) in der Figur eingezeichnet. Dieser Strom würde fließen, wenn beide Josephson-Elemente der Serienschaltung sich gleichzeitig in normalleitenden Zustand befänden. Die an der Serienschaltung verfügbare Spannung ist jedoch gleich der Urspannung minus dem Spannungsabfall an der Quellenimpedanz, d. h. in diesem Falle

^w Vg-Rs ■ I'min-

Wie nun leicht aus der Figur ersichtlich, muß die doppelte Rückstellspannung 2 Vmin größer als die zur Verfügung stehende Spannung sein, damit sichergestellt ist daß nur eines der beiden hintereinander geschalteten Josephson-Elemente im normalleitenden Zustand existenzfähig ist Aus dieser Voraussetzung

2 VWv> Vc-Rs- I'min

läßt sich leicht die Bedingung für die kieinstmögliche Rückstellspannung ableiten. Man setzt den der Figur eingetragenen Wert

I'mw Imin+ Vmin/Rl

tin und erhält als Bedingung für die kieinstmögliche Rückstellspannung:

Vm,n>(Vg-Rs

Für die Abschätzung kann mat; beispielsweise mil folgenden Werten rechnen. Der innere Spannungsabfall betrage etwa 6%, d. h.

Rs- IMIN«0,06 VfA

Das Verhältnis von Quellenimpedan/. Rs zu Lastimpedanz Ri. betrage etwa 1 :4. Dann ergibt sich als Mindestwert

Km/a/> 0,42 ■ Vc

Daraus ist zu ersehen, daß die klcinsfmi'iglichc Rückstellspannung sogar kleiner als die halbe Energielückenspannung sein darf. Solche Bedingungen sind leicht mit Josephson-Kontakten zu erfüllen, die mit nicht zu hohen Stromdichten arbeiten müssen. Zweckmäßig verwendet man sogenannte lange Josephson-Kontakie. deren Längserstreckung in Richtung des sie durchflic Qencien Stromes etwa das Dreifache der Josephson-Eindnngtiele beträgt.

F i g. 4 zeift das Schaltbild einer bistabilen Schaltung, eines sogenannten Flipflops. Diese bistabile Kippschaltung ist elektrisch völlig symmetrisch aufgebaut. Zwei Josephson-Schalter }\ und /> mit möglichst gleichen Eigenschaften sind hinter einander an die speisende Spannung angeschaltet, welche der Energielückenspannung Vc entspricht. Zum Stabilisieren dieser speisenden Spannung bietet man dem Speisestrom /« eine Ableitung zur Erde über ein weiteres Josephson-Element /i. Dieses besteht aus einen losephson-Kontakt, dt-r so dimensioniert ist, daß er sich gewöhnlich im normalleitcnden Zustand befindet. Der an diesem dritten losephson-Element auftretende Spannungsabfall entspricht daher immer der F.nergielückenspannung Vf,. Eine besondere Steuerleitung braucht in diesem Falle für das dritte Josephson-Element nicht vorgesehen werden. Die Josephson-Schalter der Kippschaltung sind hingegen mit Steuerleitungen versehen. Eine Steuerleitung I befindet sich bei dem Josephson-Schalter /,. eine Steuerleitung 2 bei dem Josephson-Schalter /.>. Auch hier steht das Symbol für eine Steuerleitung allgemein für eine Steuereinrichtung oder Steuermöglichkeit, die je nach den Umständen eine oder mehrere solcher Steuerleitungen umfassen kann. Die Lastimpedanz besteht hier aus mehreren Widerständen und einer Induktivität. Die Lastimpedanz R_t ι des Josephson-Schalters /ι enthält die Widerstände 3 und 4, sowie die Induktivität Lt. Die Lastimpedanz Ri₂ des zweiten Josephson-Schalters /2 enthält die Widerstände 5 und 6, sowie die Induktivität Li. Auch die Quellenimpedanz /?.«, enthält einen induktiven Anteil, der hier mit Ls bezeichnet ist. In der Praxis sind Streifenleitungen mit Induktivität behaftet, so daß die Impedanzen immer auch induktive Anteile enthalten. Diese Induktivitäten begünstigen das selbsttätigte Rückstellen der Josephson-Elemente in den supraleitenden Zustand.

Liegt über einem Josephson-Koiitakt eine Gleichspannung, und das ist der Fall im sogenannten normalleitenden Zustand, dann entsteht infolge des Wechselstrom-Josephson-Effektes auch eine Wechselspannung sehr hoher Frequenz. Bei einer Spannung von 1 mV beträgt diese Frequenz etwa 483 GHz. Bei den im allgemeinen verwendeten Materialien beträgt die Energielückenspannung etwa 2,6 mV. Die Rückstellspannung liegt etwa in der Größenordnung der halben Energielückenspannung. Zum Dämpfen etwaiger Wechselspannungen, die gegebenenfalls auftreten könnten, muß ausreichend Induktivität im Kreis vorhanden sein.

Manchmal ist es zweckmäßig, die Lastimpedanz aufzuteilen. Der in einer Ausgangsleitung verfügbare Strom braucht nämlich nur auszureichen, einen oder mehrere nachfolgende binäre Schaltkreise anzusteuern. In einem gegebenen Schaltzustand des binäien Scnaltkreises ist immer eines der Josephson-Elemente supraleitend und das andere normalleitend. Deshalb sind immer an den Lastimpedanzen das wahre Signal und sein Komplemen! verfügbar. Zweckmäßig verwendet man zum Ansteuern folgender Stufen die Ausgangslcitting, deren Abschlußwiderstand geerdet ist. Im Beispiel ist die erste Lastimpedanz aufgeteilt in die Widerstände 3 und 4. Hier ist jedoch eine Rückleitung 7 erforderlich, die zum Schaltungsknoten zwischen den beiden Josephson-Elementen zurückführt. Die zweite Lastimpedanz ist aufgeteilt in die Widerstände 5 und 6, wobei der Widerstand 6 der zur Erde führende Abschlußwiderstand ist. Die Leitung 8 ist daher zweckmäßig als Ausgangsleitung des binären Schaltkreises zum Ansteuern nachfolgender Stufen zu verwenden. Denn eine gesonderte Rückleitung ist in diesem Falle nicht erforderlich, weil als gemeinsame Rückleitung die geerdete Grundplatte dienen kann.

Sobald die speisende Spannung vorhanden ist, befindet sich die bistabile Kippstufe in einem Schaltzustand, bei welchem das erste Josephson-Element im supraleitenden Zustand und das zweite Josephson-Element im normalleitenden Zustand ist, oder umgekehrt. Zum Umschalten der Kippstufe läßt man einen Steuerstrom in der Steuerleitung desjenigen Josephson-Elementes einwirken, das sich im supraleitenden Zustand befindet. Durch den Steuerstrom bzw. sein Magnetfeld wird der maximale |osephson-Strom dieses Elementes herabgesetzt, so daß es in den normalleitenden Zustand umschaltet. Das andere Josephson-Element des binären Schaltkreises wird dadurch gezwungen, in den supraleitenden Zustand überzugehen.

In F i g. 5 ist beispielsweise gezeigt, wie die Schaltung nach F i g. 4 in integrierter Schaltungstechnik gebaut werden kann. Gleichartige Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Schaltung wird auf einer — nicht dargestellten — supraleitenden Grundplatte aufgebaut. Diese kann aus einem geeigneten -letall oder einer Metallegierung bestehen. In diesem Beispiel ist angenommen, daß die Grundplatte aus Niobium besteht. Eine erste Isolierschicht, z. B. aus Niobiumoxyd, deckt die Grundplatte ab. Dann werden Metallisierungsstreifenmuster aufgebracht, welche die supraleitenden Zuleitungen und die Unterlagen für die Josephson-Kontakte bilden. Es sind dies, in der Figur von links oben anfangend, die Zuleitung f'ir den speisenden Strom /g, auf welche der Josephson-Kontakt h zum Stabilisieren der speisenden Spannung auf den Wert der Energielückenspannung Vc aufgebracht wird. Weiter folgt ein T-förmiges Stück, auf welches der Josephson-Kontakt des Josephson-Schalters /1 aufgebracht wird, in der Zeichnung unten ein L-förmiges Stück für den Kontakt des Josephson-Schalters /2 und die Erdverbindung zur Grundplatte. Im gleichen Metallisierungsvorgang wird auch das quadratische Stück rechts unten aufgebracht, welches den Abschlußwiderstand mit der geerdeten Grundplatte verbindet. Diese Metallisierung kann z. B. aus Bleilegierungen bestehen. In den engschraffierten Bereichen der Zeichnung werden dann die Oxydschichten, Bieioxyd oder Indiumoxyd, für die Josephson-Kontakte /1, />und Ji hergestellt. Eine weitere Metallisierung aus Legierungen bildet die Leitungen des Schaltkreises. Ein erstes

T-förmiges Stück verbindet den Josephen-Kontakt Js zum Stabilisieren der speisenden Spannung mit der geerdeten Grundplatte. Ein weiteres Leitungsstuck bildet die obere Elektrode der Josephson-Schalter ]\ und Ji und die Lei'ungszüge 7 und 8. Die Widerstände 3, 4, 5, 6 und Rs wenden in einem anderen Herstellungsschritt aus geeigneten Materialien aufgedampft. Diese Metallstreifen der Widerstände sind schmaler als die übrigen Leitungsmuster und weisen daher auch die entsprechende Induktivität auf. Falls die Induktivität der Schaltung weiter vergrößert werden muß, kann man Leitungsverengungen wie beispielsweise am Schaltungsknoten der Verbindungssteile der beiden Josephson-Elemente /i und J₂ einfügen. Eine Isolierschicht, beispielsweise aus Siliciumoxyd, deckt die Schaltung ab. Auf dieser Isolierschicht werden dann die Steuerleitungen 1 uno λ aufgebracht

Die Josephson-Kontakte werden mit Stromdichten unterhalb bis höchstens lOkA/cm² betrieben. Bei der angegebenen Stromdichte und den Materialien beträgt die josephson-Eindringiieie 4 μι». Die Gxydsehiehten der Josephson-Kontakte sind etwa 12 μΐη lang. Mit dem dreifachen der Josephson-Eindringtiefe sind die Kontakte demnach sogenannte lange Josephson-Kontakte. Die Breite der Kontakte beträgt etwa ΙΟμιτι. Der Widerstand für die Quellenimpedanz beträgt etwa 0,05 Ω. Die Lastimpedanzen sind aufgeteilt in parallel geschaltete Widerstände 3 und 4, bzw. 5 und 6. Die in der Nachbarschaft der Josephson-EIemente angeordneten Teilwiderstände 3 und 5 besitzen etwa 0,5 il Der Längswiderstand 4 bei dem Josephson-Element Ji, bzw. der Abschlußwiderstand 6 der Ausgangsleitung 8 haben je OJS Ω. Jede Lastimpedanz besteht daher aus der Parallelschaltung von 0,5 und 0,8 Ω, was einen Gesamtwiderstand von 031 Ω ergibt Der normale Tuiinelwidenstand der verwendeten Josephson-Kontakte beträgt etwa 0,17 Ω, der maximale Josephson-Strom etwa 8 mA. Alle diese Wertangaben stehen beispielsmäßig für die Größenordnung. Abweichungen von diesen Werten in der Praxis können naturgemäß vorkommen und sind iiuch abhängig von den verwendeten Materialien und Einzelheiten des Entwurfes.

Der binäre Schaltkreis kann auch als monostabile Kippstufe ausgeführt werden, welche als logisches Verknüpfungsglied für die Ausführung der Funktionen AND,OR. NAND oder NOR geeignet ist

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Fig.6, 7 und 8 dargestellt. Die F i g. 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform in integrierter Schaltungslechnik. Gleichartige Einzelheiten sind gleich wie in den vorangehenden Figuren bezeichnet, weshalb diese Darstellung ohne weiteres verständlich ist. Abweichend von F i g. 5 sind die Steuerleitungen 9 und 10, deren Zweck und Betriebsweise anhand der Kontrollströme, 7 und 8 erläutert wird Auch ist hier in diesem Ausführungsbeispiel der Joscphson-Kontakt /1 in seiner Fläche kleiner als der andere Josephson-Kontakt Jj. Dies ist in dem Schaltbild der F i g. 7 dadurch angedeutet, daß hier J\ mit einem kleinen Schaltsymbol und J₂ mit einem großen Schaluymbol dargestellt sind.

Um den binären Schaltkreis monostabil zu machen, ist auf diese Weise eine künstliche Unsymmetrie geschaffen. Das ist an sich iiuf verschiedene Arten nidglich, beispielsweise durch unterschiedliche Belastungsimpedanzen oder durch zusätzliche Kontrollströme, die gegebenenfalls auch nur auf eines der beiden Josephson-Elemente einwirken. Wenn für den Entwurf der Schaltung das gewünschte Schaltverhalten feststeht, ist die zweckmäßigste Methode die Auslegung oder Konstruktion des Schaltkreises selbst Bei geeigneter Dimensionierung bewirkt der Aufbau der Schaltung aus Josephson-Elementen mit unterschiedlichen Flächen der Josephson-Kontakte, daß bei Anlegen der speisenden Spannung immer ein vorbestimmtes Josephson-EIement, hier das flächenmäßig kleinere, in den normalleitenden Schaltzustand geht.
Die Steuerleitungen sind nun so angelegt, daß sie in den beiden Josephson-Schaltern des binären Schaltkreises gegensinnig wirken. Wie aus dem Schaltbild der F i g. 7 hervorgeht, fließt beispielsweise der Steuerstrom Ic bei dem ersten Josephson-Schalter Ji parallel zu der Richtung des Stromes im Josephson-Kontakt, die von dem positiven Anschluß zur Erde führt In der zum Josephson-Schalter Jt gehörigen Steuerieitung ist jedoch die Stromrichtung umgekehrt, so daß hier der Steuerstrom der Stromrichtung im Josephson-Kontakt entgegen gerichtet ist In der praktischen Ausführung vermeidet man Schlingenbildung der Steuerieitung, die wegen der notwendigen isolation eine größere Anzahl von Verfahrensschritten bei der Herstellung benötigen würde. Stattdessen führt man den erdseitigen Anschluß des Josephson-Schalters J₂ in der Darstellung nach Fi g. 6 nach oben, so daß die Steuerleitungen 9 und 10 durchgehend aufgebracht werden können. Ein Steuerstrom /ein diesen Steuerleitungen bewirkt nun, daß der maximale Josephson-Strom des flächenmäßig kleineren Josephson-Schalters heraufgesetzt wird, und daß der

ίο maximale Josephson-Strom des flächenmäßig größeren Josephson-Schalters herabgesetzt wird. Durch Anlegen eines Steuersignales wir demnach der Schaltzustand der beiden hintereinander geschalteten Josephson-EIemente umgeschaltet Auch hier ist wieder der wirksame Steuerstrom gemeint, d. h. die Summe aller Steuerströme entweder in getrennten Steuerleitungen oder galvanisch gekoppelt in nur einer einzigen gemeinsamen Steuerleitung. Das Ausgangssignal entsteht durch den Strom lour durch die Belastungsimpedanz R_L1 bzw. den Abschlußwiderstand 6. Zwischen der Ausgangsleitung 8 und der geerdeten gemeinsamen Rückleitung der Grundplatte kann daher das durch diesen Strom fotrr gebildete Ausgangssignal z. B. als Steuerstrom für folgende Kreise abgenommen werden. Nach dem Schaltbild der F i g. 7 ist die Unsymmetrie des Kreises so gewählt, daß das wahre Ausgangssignal am Abschlußwidersland auftritt Diese Verknüpfungsschaltung kann demnach für die logischen Funktionen AND oder OR verwendet werden.

Der Steuerstrom Ic bedeute das wirksame Eingangssignal, das aus mehreren Signalen kombiniert ist Soll der Schaltkreis eine A N D-Funktion ausführen, so bt die Dimensionierung derartig, daß erst die Summe aller

Eingangssignale ein Ausgangssignal bewirkt Für die Ausführung der OR-Funktion liegt der Schwellwert

anders, weshalb bereits das Vorliegen eines einzigen

Eingangssignales ein Ausgang3signal bewirkt Ein Ausführungsbeispiel nach dem Schaltbild der

«0 Fig.7 arbeilet in folgender Weise. Liegt nur die speisende Spannung an und kein EiflpflfSSigRaf. So befindet sich der Josephson-Schaltcr /1 im normallcitcnden Zustand und der Josephson-Schalter h im supraleitenden Zustand. Der supraleitende Josephson-Schalter

μ h schließt die Belasttingüimpedanz R/1 kurz, weshalb dort kein Spannungsabiall entsteht und auch kein Ausgangssignal abgenommen werden kann. Wenn das effektive Eingangssignal, d h Hie Summe aller Fin

gangssignale das Umschalten des binären Schaltkreises bewirkt, wird der Josephson-Schalter ]\ supraleitend und der Josephson-Schalter h geht in den normalleitenden Zustand Ober. Jetzt liegt eine Spannung an der Belastungsimpedanz Rl2, so daß dort ein Ausgangssignal abgenommen werden kann. Dieser Schaltkreis liefert also wahre, d.h. nicht-invertierte Ausgangssignale. Je nach Dimensionierung und Betriebsweise arbeitet diese Schaltung als UND-Gatter oder als ODER-Gatter. _!0

Bei dem Ausführungsbeispiel nach dem Schaltbild der Fi g. 8 ist der großflächige Josephson-Kontakt bei dem Josephson-Schalter J\ und der kleinflächige Josephson-Kontakt bei dem Josephson-Schalter Ji. Dieser Schaltkreis wirkt in umgekehrter Weise und liefert daher invertierte Ausgangssignale. Er ist für die Ausführungen der logischen Verknüpfungen NAND bzw. NOR geeignet Liegt nur die speisende Spannung und kein effektives Eingangssignal an dieser Schaltung, so ist der Josephson-Schalter }\ supraleitend und der Josephson-•Schalter /? nonnaüeitend. Es tritt also eine Spannung an der Belastungsimpedanz R_Li auf und damit ein Ausgangssignal. Weil jedoch zu diesem Zeitpunkt keine Eingangssignale vorliegen, ist dieses Ausgangssignal ein invertiertes Ausgangssignal. Wird durch ein effektives Eingangssignal der Schaltkreis umgeschaltet geht der Josephson-Schalter /1 in den normalleitenden Zustand und der Josephson-Schalter Ji in den supraleitenden Schaltzustand über. Jetzt entsteht keine Spannung an der Belastungsimpedanz Rli. so daß je nach der jo Auslegung dieses Schaltkreises er als Inverter arbeitet bzw. je nach der Verknüpfung der Eingangssignale die NAN D-Funktion oder die NOR-Funktion liefert

Wecin für die Ausführung des binären Schaltkreises als logisches Verknüpfungsglied die elektrische Unsymmetrie durch unterschiedliche Flächenausdehnung der beiden Josephson-Kontakte bewirkt wird, wählt man das Verhältnis der Flächen für ein AN D-Glied oder NAND-Glied zu etwa 0,6 :1. Für ein OR-Glied oder NOR-Glied wählt man dieses Flächenverhältnis zu etwa 0.8:1.

Die Dimensionierung dieser Ausführungsbeispiele entspricht etwa den Werten der bistabilen Kippschaltung, die oben anhand der Fig.4 und 5 beschrieben wurde. Der maximale Josephson-Strom des flächenmäflig kleineren Josephson-Schalters beträgt etwa 6 mA, der des flächenmäßig größeren Josephson-Kontaktes etwa 8 mA. Die Lastwiderstände werden so gwählt, daß das im supraleitenden Zustand befindliche Josephson-Element einen Strom von etwa 7 mA aufnimmt. Mit einem wirksamen Steuerstrom von mehr als etwa 1,25 mA schaltet der großflächige Josephson-Schalter in den spannungsbehafteten Zustand und das kleinflächige Josephson-Element wird zwangsläufig supraleitend.

F i g. 9 zeigt schemalisch die Sleuerkenntinicn für das invertierende Verknüpfungsglied nach dem Ausführungsbeispiel der Fig.8. Die Kurven stellen die Abhängigkeit des maximalen josephsonstromes /am* vom wirksamen Steuerstrom Ic dar. Die Kennlinie mit den höheren Werten für den Josephsonstrom gehört zu w dem großflächigen /nsephson-Schalfer U- Die Kurve mit den kleineren Werten gehört zu den klcinflächigen losephson-Schaller /2. Der bei Abwesenheit von Steuerströmen durch die Serienschaltung der beiden losephson-Konirtkte fließende Ruhestrom In ist so iö gewählt, daß der Arbeitspunkt im Ruhezusland gerade zwischen den beiden Kennlinien liegt. Bei diesem Stromwert isl der maximale Joscphsonstrnm für <!>·η kleineren Josephson-Kontakt des Schalters Ji gerade überschritten, so daß sich dieser Josephson-Schalter J2 im spannungsbehafteien, normalleitenden Schaltzustand befindet Der maximale Josephsonstrom ist hingegen für den Josephson-Kontakt des Schalters J\ noch nicht überschritten. Der Josephson-Schalter ]\ befindet sich im supraleitenden Zustand. Es fließt kein Steuerstrom Ic, da an den Eingängen keine zu verknüpfenden binären Signale vorliegen. Ein Ausgangssignal ist jedoch abnehmbar, weil durch die Belastung R1.2 der Ausgangsstrom lour fließt. Werden nun Eingangssignale nach der NAND-Funktion oder der NOR-Funktion miteinander verknüpft so fließt ein effektiver Steuerstrom /_c·- Dieser ist infolge der Leitungsführung in beiden Josephson-Elementen in verschiedener Richtung wirksam. In der Zeichnung ist das mit -f Ic bzw. — Ic angedeutet. In dem Jo^rcphson-Schalter /1 bewirkt die Summe von /0 und + Ic daß der maximale Josephsonstrom überschritten wird. Das Element Ji schaltet demnach in den normalleitenden Zustand. Der im Josephson-Schalter Ji wirksame Strom, der aus /0 und — Ic zusammengesetzt ist schaltet dieses Element in den supraleitenden Zustand. Dadurch wird die Belastung R_Li kurz geschlossen, so daß kein Ausgangssignal mehr abnehmbar ist Die Schaltung wirkt als invertierendes Verknüpfungsglied.

Ein gewisser Nachteil der bis jetzt beschriebenen Schaltung liegt darin, daß wegen des geringen Unterschiedes der Kennlinien der beiden Josephson-Schalter die Toleranzen der Betriebsparameter für den Arbeitspunkt verhältnismäßig eng sind. Verbesserungen lassen sich unter Umständen dadurch erzielen, daß man andere Bereiche der Kennlinien ausnutzt Beispielsweise kann man durch einen zusätzlichen vorspannenden Strom den Arbeitspunkt in den steilen Teil der Kennlinien verlegen.

Fig. 10 zeigt das Schaltbild einer invertierenden Verknüpfungsschaltung, die mit einer zusätzlichen Steuerleitung über beide Josephson-Schalter versehen ist Durch diese Steuerleitung wird ein vorspannender Steuerstrom /« geschickt Wie aus den Kennlinien in F i g. 11 ersichtlich, verschiebt im Ruhezustand dieser zusätzliche vorspannende Steuerstrom Iac den Arbeitspunkt zwischen die steilen Äste der beiden Kennlinien. Schwankungen im Ruhestrom k können sich jetzt weniger störend auswirken. Im übrigen ist die Arbeitsweise dieser Schaltung entsprechend dem an Hand der F i g. 8 und 9 beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Dieser vorspannende Steuerstrom Iac wird zweckmäßig in einer Weise stabilisiert, daß Schwankungen in der Stromdichte des maximalen Josephsonstromes selbsttätig ausgeglichen werden. Diese Stabilisierungsschaltung enthält nach Fig. 12 in der Leitung, welche den Strom Iac fuhrt, die Parallelschaltung eines weiteren Josephson-Kontaktes mit einem Widerstand. Diese Schaltung wird mil einer Spannung Vo betrieben, die höher als die Energielückenspannung liegt. Denn der im Zuge der Leitung liegende zusätzliche Josephson-Kontakt soll mit seinem normalen Tunnelwidersland wirksam sein. Zweckmäßig wahl! man diese Spannung V_n als das Doppelte der Encrgiclückcnspannung. In diesem Falle gewinnt man sie an der Sericnschaltiing zweier sich im normalleiienden Zustand befindlicher losephson-Koniakte. Zur Erläuterung dient die F i g. I 3, in welcher der vorspannende Steuerstrom //«in Abhängigkeit von der maximalen Stromdichte des |osephsonstmmcs y_ma, aufgetragen ist In hingen jnsephson-Knnt.ikicn, wie sie

vorzugsweise für den binären Schaltkreis verwendet werden, ist der maximale Josephsonsirom hiA.\ etwa proportional der Wurzel aus der Stromdichte j„_m. Der vorspannende Steuerstrom Ige sollte nach Möglichkeit eine gleichartige Abhängigkeit von der Stromdichte haben. Die normale Tunnelleitfähigkeit Gnn eines Josephson-Kontaktes bei der Vorspannung VO in der Größenordnung der doppelten Energielückenspannung ist proportional der Stromdichte j™,»· Für die Annäherung an den Strom /er in einem gewissen Bereich 10 um den Arbeitspunkt OP herum ist ein Parallelwiderstand erforderlich. Die Kennlinie der Stabilisierungsschaltung sollte im Arbeitspunkt die /ec-Kennlinie berühren und praktisch tangential verlaufen. Die Kennlinie schneidet bei der Stromdichte Null die Stromachse bei dem Wert V₀Gb- Man kann leicht ermitteln, daß für diesen Leitwert G₀ ein Widerstand gleicher Größe erforderlich ist, wie der Tunnelwiderstand des stabilisierenden Josephson-Kontaktes. Die Werte G_Nn und G₀ sind daher zweckmäßig, vjn gleicher Größe. Diese Stabilisierungsschaltung erfordert nur, daß die maximalen Stromdichten j„ax der verschiedenen Josephson-Kontakte der gleichen Baugruppe von gleicher Größenordnung sind. Der auf diese Weise gewonnene vorspannende Steuerstrom /se kann gleichzeitig von mehreren logischen Schaltungen verwendet werden.

Die gemeinsame Stromversorgung einer großen Anzahl von binären Schaltkreisen erfolgt zweckmäßig in Gruppen. Fi g. 14 zeigt schematisch ein Beispiel einer solchen Stromversorgungsschaltung. Jede der Ebenen 1 -N enthält ei"en Block von etwa 1000 Schaltkreisen, die allgemein mit der Bezugszahl 11 bezeichnet sind. Die einzelnen Ebenen I — N sind 'Hintereinander in die gemeinsame Stromversorgungsleitung geschaltet, welche den Strom Ib liefert. In jedt. Ebene liegen die einzelnen Schaltkreise fl parallel an der Speisespannung, welche der Energielückenspanniing Vo entspricht. Zur Stabilisierung der Speisespannung besitzen einzelne Gruppen innerhalb der Ebenen je eine gemeinsame Schaltung. Diese ist durch das Schaltsynibol eines schrägen Kreuzes angedeutet, welches den zur Stabilisierung notwendigen normalleitenden Josephson-Kontakt versinnbildlicht. Infolge der Serienschaltung der F.benen in der Stromversorgungsleitung liegt jede dieser Ebenen auf einem anderem Potential. Diese Tatsache kann man sich für die Gewinnung des vorspannenden Steuerstromes Ine zu Nutze machen. Wie in Fig. 15 gezeigt, gewinnt man die Spannung V₀ in der Größe der doppelten Energielückenspannung für die Stabilisierungsschaltung nach den F i g. 12 und 13 als Potentialdifferenz zwischen zwei benachbarten Ebenen. Die Parallelschaltung von Widerstand und Josephson-Kontakt zum Gewinnen des vorspannenden Steuerstromes /«wird an die Zuleitung einer ersten Ebene und an die Rückleitung einer zweiten, benachbarten Ebene angeschlossen. Diese Schaltung versorgt die binären Schaltkreise It beider benachbarter Ebenen mit dem vorspannenden Steuerstrom Inc.

Beim Umschalten des beschriebenen binären Schaltkreises wird ein verhältnismäßig starker Strom in die ßeläsfüngsimpcJan/ übertragen. Der Strom ist mehr als dreimal so groß wie notwendig, um weitere binäre Schaltkreise der gleichen Art anzusteuern. Der Ausgangssirom eines Schaltkreises kann deshalb in drei Teile aufgespalten werden, wobei jeder dieser Ausgangsströme ein weiteres Schaltglied ansteuern kann. Zweckmäßig schließt man jede dieser Ausgangsleitungen mit einem Widerstand vom dreifachen der Größe der Belastungsimpedanz und in Serie dazu der Steuerleitung eines folgenden Schaltkreises ab.

Dieses Konzept ermöglicht die galvanische Kopplung von Steuerströmen, so daß die eigentlichen Josephson-Schalter praktisch mit nur einer Steuerleitung auskommen. Die Fig. 16 zeigt schematisch ein solches Beispiel der Verbindung mehrerer binärer Schaltkreise untereinander. Jeder dieser Schaltkreise 11 kann je nach Entwurf der Schaltung eine der logischen Verknüpfungen nach derOR, NOR, AND oder NAND-Funktion ausführen.

Bei dem letztgenannten Beispiel von untereinander verbundenen logischen Schaltgliedern ist eine der Belastungsimpedanzen in anderer Form als weiter oben beschrieben aufgebaut. Hier wirkt nämlich als BeIastungsimpedanz die mit einem Widerstand abgeschlossene AusgangsIeitURg, die über die Sieuerleitung eines folgenden logischen Schaltgliedes an Erde gelegt ist. Unterschiedlich dimensionierte Belastungsimpedanzen können auch gebracht werden, um den binären Schaltkreis bei größenmäßig gleichen Josephson-Kontakten monostabil zu machen. Die notwendige Unsymmetrie kann auch dadurch erreicht werden, daß man nur einen der Josephson-Schalter eines Paares mit einem zusätzlichen vorspannenden Steuerstrom versieht Dies

w kann durch eine getrennte Steuerleitung geschehen oder auch durch galvanische Einkopplung eines zusätzlichen Stromes in eine der beiden Steuerleitungen des Paares von Josephson-Schaltern. Eine andere Möglichkeit ist ein zusätzlicher vorspannender Steuer-

J5 sirom, der in beiden Josephson-Schaltern gegensinnig wirkt. Mit dessen Hilfe kann beispielsweise ein symmetrischer, d.h. bistabiler Schaltkreis, unsymmetrisch, also monostabil gemacht werden. Andererseits kann dieser Steuerstrom auch in Jem Sinne benutzt werden, daß eine ursprünglich monostabile Schaltung auf elektrischem Wege in eine bistabile Schaltung umgewandelt wird. So kann beispielsweise die Unsymmetrie, die durch unterschiedliche Bemessungen der Flächen der Josephson-Kontakte bedingt ist, auf elektrischem Wege '-'erändert werden. Es kann Her Schwellwert des Ansprechens auf Steuersignale verändert werden, so daß beispielsweise aus einem UND-Glied ein ODER-Glied wird, oder umgekehrt,
Durch Ausnutzung und geeignete Kombination aller

w dieser aufgezählten Möglichkeiten kann eine Familie von binären Schaltkreisen gebaut werden, deren gemeinsames Merkmal die Grundschaltung mit den beiden Josephson-Schaltern an der Energielückenspannung ist. Es lassen sich Speicherschaltungen, Zählschal-

'~>5 tungen, Schieberegister und ähnliches aufbauen. Weiter können alle Arten von logischen Verkniipfungsschaltungen gebaut werden, die beispielsweise auch arithmetische Operationen ausführen können. Außer den bisher genannten logischen Verknüpfungsschallungen können

tpo auch beispielsweise Addierschalicngcn nach dem Prinzip des beschriebenen binären Si haltkreises entworfen werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Binärer Schaltkreis mit Schaltkrciselementen, welche supraleitende Tunneleffekte ausnutzen, für die Speicherung und/oder die logische Verknüpfung binär codierter Daten, dadurch gekennzeichnet, daß darin mindestens eine Grundschaltung vorhanden ist, die aus zwei in Serie miteinander verbundenen Josephson-Elementen und aus zwei, jeweils eines dieser Elemente überbrückenden Lastimpedanzen besteht, welche Serienschaltung an eine Spannungsquelle mit niederer Quellenimpedanz anschaltbar ist, die eine feste, der Energielükkenspannung entsprechende Spannung in der Weise an die genannte Serienschaltung anzulegen vermag, daB von den beiden Josephson-Elementen zur gleichen Zeit nur das erste in dem spannungsbehafteten Schaltzustand und das zweite in dem supraleite&isn Schaltzustand existenzfähig ist, oder umgekehrt, daß weiterhin mit einer Quelle von Eingangssignalen verbundene Schaltmittel vorgesehen sind, die zur Steuerung des Schaltverhaltens mindestens eines der beiden Josephson-Elemente der genannten Serienschaltung dienen, und daB an mindestens einer der den losephson-EIementen zugeordneten Lastimpedanzen die an dieser Lastimpedanz auftretende Spannung bzw. der zugehörige Strom als Ausgangssignal abnehmbar ist

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Grundschaltung symmetrisch aufgebaut ist womit ein bistabiles Schaltverhalten erreichbar ist

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Josephs, jn-Elemente (Ju J₂) κ der Serienschaltung Josephsonkontakte mit gleich großen Flächen aufweisen.

4. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Grundschaltung unsymmetrisch aufgebaut ist, womit ein monostabiles Schaltverhalten erreichbar ist.

5. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Josephson-Elemente (Ju J₂, der Serienschaltung Josephsonkontakte mit unterschiedlich großen Flächen aufweisen.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß für die konjunktive Verknüpfung von Eingangsdaten das Flächenverhältnis der Jcsephsonkontakte 0,6 :1 beträgt.

7. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekenn- so zeichnet daß für die disjunktive Verknüpfung von Eingangsdaten das Flächenverhältnis der Josephsonkontakte 0,8:1 beträgt.

8. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsimpedanzen (Rlu Rlt) fxiterschiedlich groß sind.

9. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Unsymmetrie durch in den beiden Josephson-Elementen (j\, Jj) unterschiedlich wirksame Steuerströme einstellbar ist w

10. Schaltkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch zusätzliche vorspannende Kontrollströme die Ansprechschwelle einstellbar ist, womit ein wahlweises Schaltverhalten zur konjunktiven Verknüpfung oder zur disjunktiven Verknüp- f>5 fung von Eingangsdaten erreichbar ist.

11. Schaltkreis nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß durch in den beiden Josephson-Ele menten (J\, Jz) unterschiedlich wirksame Steuerströme der Grad der Unsymmetrie bis zur Symmetrie einstellbar ist womit ein wahlweises monostabiles bis bistabiles Schaltverhalten einstellbar ist

12. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daB mindestens ein Josephson-Element der genannten Grundschaltung als Josephson-Schalter mit mindestens einer Steuerleitung aufgebaut ist

13. Schaltkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß beide Josephson-Schalter (J], J₂) getrennte Steuerleitungen (1,2) aufweisen.

14. Schaltkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß beide Josephson-Schalter (Ju J₂) mindestens eine durchgehende Steuerlcitung (9, 10) aufweisen, welche bezüglich der Serienschaltung in beiden Josephson-Elementen einander entgegengesetzt wirksam ist

15. Schaltkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß mindestens eine zusätzliche Steuerleitung vorhanden ist weiche bezüglich der Serienschaltung in beiden Josephson-Elementen im gleichere Richtungssinn wirksam ist (F i g. 10).

16. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zum Gewährleisten der selbsttätigen Rückstellung des normalleitenden Josephson-Elementes in den supraleitenden Zustand die Bedingung erfüllt ist daß <Me kleinstmögliche Rückstellspannung t-Mwgrößer ist als der Quotient

(Vc-Rs- W(2 + Rs/Rd der aus der verfügbaren Spannung (Vc-Rs- /min).

nämlich der Energielückenspannung Vc minus dem am Quellenwiderstand Rs infolge des minimalen Josephsonstromes farn auftretenden Spannungsabfall

(Vc-Rs- 1min)

als Zähler gebildet ist, dividiert durch den Zahlenwert 2 plus dem Verhältnis von Quellenwiderstand zum Lastwiderstand

(2 + Äs/Ä/JL

17. Schaltkreis nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Quellenwiderstand zum Lastwiderstand wie 1 :4 verhält.

18. Schaltkreis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet daß durch den Aufbau der Leitungszüge in integrierter Schaltungstechnik Induktivitäten (Ls. L\, L₂, L) wirksam vorhanden sind, die das selbsttätige Rückstellen begünstigen.

19. Schaltkreis nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsimpedanzen in parallele Zweige (3,4 bzw. 5,6) aufgeteilt sind.

20. Schaltkreis nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erdseitige Belastungsimpedanz aus einem nah;; dem Josephson-Schalter (J₂) liegenden Zweig (5, L₅) und einer mit einem Widerstand (6) abgeschlossenen Ausgangsleitung (8) besteht.

21. Schaltkreis nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Widerstand abgeschlossene Ausgangsleitung über die Steucrleitung eines folgenden logischen Schaltgliedes an Erde gelegt ist (Fig. 16).

22. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur genannten Grundschal-

tung ein im normalleiteriden Zustand befindliches losephson-Element (h) geschaltet ist, welches die speisende Spannung auf den Wert der Energielükkenspannung Vbstabilisiert,

23. Schaltkreis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Steuerleitung über die Parallelschaltung eines im normalleitenden Zustand befindlichen Josephson-EIementes mit einem Widerstand des Wertes des Tunnelwiderstandes an eine Spannung (V₀) der Größe der doppelten Energielückenspannung angeschlossen ist, welche Spannung durch die Serienschaltung zweier Josephson-Elemente im normalleitenden Zustand stabilisiert ist (F ig. 12,13).

24. Schaltkreis nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Einrichtung mit einer Vielzahl von logischen Schaltkreisen, die gruppenweise in Ebenen (1, 2,.., N) angeordnet sind, jede solche Ebene eine Anzahl von die speisende Spannung stabilisierenden Josephson-EIemente aufweisi, und daß die genannten Ebenen in Serie in die Zuführungsleitung des speisenden Strom-^s eingeschaltet sind (F ig. 14).

25. Schaltkreis nach Anspruch 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß in aufeinander folgenden, benachbarten Ebenen die Parallelschaltung von Josephson-Element und Widerstand zum Stabilisieren des zusätzlichen Steuerstromes an die Zuleitung einer ersten benachbarten Ebene angeschlossen ist, daß daran in Serie die zusätzlichen Steuerleitungen der binären Schaltkreise angeschlossen sind, und daß das Ende der Leitung mit der Rückleitung der zweiten benachbarten Ebene verbunden ist (Fig. 15).