DE2455501C3 - Logische Speicher- und Verknüpfungsschaltung mit Josephson-Elementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen binären Schaltkreis mit Schaltkreiselementen, 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, Telefonzentralen 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 Eingangssignale in ihre Ausgangslage selbsttätig zurück. Binäre Schaltkreise solcher Art sind insbesondere für den Aufbau von logischen Verknüpfungsbchaltungen 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 sprungartig auf. Diese sogenannte Sprungtemperatur ist für verschiedene Materialien verschieden. Unter dem Namen !Cryotron bekannte beinäre Schaltelemente nutzen den Übergang des Materials vom supraleitenden zum normalleitenden 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 Materialiea Dieser Phasenübergang geht von Keimzentren 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 Potentialdifferenz entsprechend der Größe der Lückenspannung durchlaufen. Diese Energielücke entspricht im Bändermodell der Elektronen dem in Energieeinheiten gemessenem Abstand der Bänder zweier möglicher Energiezustände. Sie ist eine Matenaleigenschaft und daher von Materia! 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-Wechseiwirkung mit dem Atomgitter gekoppelte Elektronenpaare, die nach einem Physiker Cooper-Paare genannt werden. B. D. Josephson hat nun vorausgesagt daß es in genügend dünnen Isolierschich-

J5 ten zwischen 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 1. Juli 1962 auf den Seiten 251 bis 253 veröffentlicht wurde.

Diese vorausgesagten Effekte wurden gefunden und inzwischen in vielerlei technischen Einrichtungen verwendet Einen guten Überblick über das gesamte Gebiet dieser neuen Technik bietet das im Jahre 1972 im Verlag Chapman and Hall, London erschienene Buch von L. Solymar »Superconductive Tunnelling and Applications«.

Josephson-Elemente sind im allgemeinen sogenannte Josephson-Kontakte, d. h. die durch Tunnelströme zu überwindende Barriere besteht aus einer dünnen Oxydschicht zwischen zwei supraleitenden Zuleitungen. Zum Steuern des Schaltverhaltens des Elementes ist mindestens eine Steuerleitung vorgesehen. Bin ähnliches Schaltverhalten zeigen jedoch auch Schaltelemente mit Vorrichtungen zur schwachen Kopplung von zwei Supraleitern. Bei diesen ist die Oxydschicht durch beispielsweise eine schwache Kontakt-Brücke ersetzt. Die bei Temperaturen von wenigen Grad Kelvin arbeitenden supraleitenden Josephson-Elemente können, abhängig vom sie durchfließenden Strom, zwei verschiedene Zustände einnehmen. Im Bereich unterhalb des sogenannten maximalen Josephson-Stromes Imax fließt ein von Cooper-Paaren getragener Tunnel-

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

Im Folgenden wird dieser Zustand vereinfachend als »normalleitend« bezeichnet. Dieser sogenannte normalleitende Zustand eines Josephson-Elementes ist auf keinen Faii mit dem normaiieiienden Zustand des oben erwähnten Kryotrons zu verwechseln, bei welchem mit dem normalleitenden Zustand ein Phasenübergang des Metalls verbunden ist. Beim sogenannten normalleitenden Zustand eines Josephson-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 Umschalten in den normalleitenden Zustand der Strom wieder reduziert, so tritt ein Hysterese-Effekt auf, d. h. der Rückstellvorgang durch Obergang zum supraleitenden Zustand erfolgt bei einer Stromstärke, die beträchtlich unter dem Wert /_raa» liegt. Der Wert des maximalen Josephson-Stromes /,„„» 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-Elemente zwei unterscheidbare Zustände einnehmen können, sind sie zur Verwendung in binären Schaltkreisen geeignet. Im US-Patent 32 81 609 w:rd ein supraleitendes Schaltelement beschrieben, das Tunneleffekte ausnutzt. Zu verknüpfende Eingangsströme werden einem Josephson-Kontakt zugeführt. Oberschreitet 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 Stromrichtung als auch das Abfühlen der Speicherwerte erfolgt mittels Josephson- Elementen.

Josephson-Elemente zur Verwendung als logisches Verknüpfungsglied werden in einem Aufsatz von J Matisoo »The Tunneling Cryotron — A Superconductive Logic Element Based on Electron Tunneling« beschnebea der in der Zeitschrift Proceedings of the IKEF-. im Heft Nr 2 des Bandes 55. im Februar 1967 erschienen im Diener Aufsatz beschreibt im wesentli chen 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

ίο 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 isi jedoch nicht selbsttätig rückstellend ausgebildet. Zum Rückstellen der Josephson-Elemente in den supraleitenden Zustand ist es viel mehr erforderlich, den durch sie fließenden Strom kurzzeitig zu unterbrechen. Eine solche Betriebsweise verlangt daher einen zusätzlichen Schaltschritt, der naturgemäß Zeit braucht und damit die Schnelligkeit der Schaltkreise empfindlich herabsetzt. Im Heft Nr. 1 des Bandes 16 des IBM Technical Disclosure Bulletin vom Juni 1973 ist auf den Seiten 347 und 348 ein einstellbares Verzögerungsglied in der genannten Technik dargestellt. Zwei solche logischen Verknüpfungsschaltungen mit in ihrem Wellenwiderstand abgeschlossenen Ausgangsleitungen, nämlich ein ODER-Glied und ein UND-Glied sind hintereinander geschaltet. Durch Verändern der Vorspannung an einem Eingang des UND-Gliedes kann die Verzögerungsdauer eingestellt werden.

Es wurde auch ein Josephson-Element als logisches

v> 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 1960 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 oder die Esaki Dioden Zwillingsschaltung beschrieben. Die Schaltung hat zwei stabile Arbeitspunkte, wenn sie an eine feste Spannung gelegt wird. Die an der Senenschaltung 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, hängi davon ab, welcher Steuerstrom im Augenblick des Anlegens an die feste Spannung in den

w> Verbindungspunkt der beiden Dioden eingespeist wird. Es ist nur Impulsbetrieb möglich, da für jeden Schaltvorgang die speisende Spannung erneut angelegt werden muß-

Dic leitende Verbindung zweier Josephson-Elementc

*>"> in Serie ist für eine Impulsformer-Schallung 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 197} Die Schaltung

verwandelt unipolare Eingangsimpulse in bipolare Ausgangsimpulse. Die Serienschaltung ist an eine Impulsstromquelle angeschlossen, welche die Taktimpulse liefert. Die unipolaren Eingangssignale werden durch die gegeneinander in Reihe geschalteten Steuer- ■> leitungen der beiden Josephson-Elemente 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. m

Ausgehend von diesem Stand der Technik und den geschilderten Nachteilen stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine nicht im Impulsbetrieb arbeitende Schaltung mit Josephson-Elementen anzugeben, die so ausgelegt werden kann, daß sie sowohl für ΐί Speicherzwecke als auch für selbstrückstellende logische Verknüpfungsglieder verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran-Sprüchen 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 Spannungs- 2Ί quelle mit niederem Quellenwiderstand anzuschließen. Die von der Quelle gelieferte Spannung ist dabei ungefähr gleich der Energielückenspannung eines Josephson-Elementes, d. h. die angelegte Spannung reicht nicht aus, um beide Josephson-Kontakte in den in normalleitenden 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 π Steuersignal in den normalleitenden Zustand übergeführt, so schaltet gleichzeitig der bisher normalleitende Kontakt in den supraleitenden Zustand um.

Die beiden Josephson-Kontakte dieser Schaltung können nun identisch oder voneinander verschieden w 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 4ϊ 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 so Eingangssteuersignalen an die Josephson-Kontakte gelegt werden.

Die Vorteile dieser Erfindung lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

Die hier auftretende relativ geringe Stromdichte in is den Jospphson-Kontakten stellt keine besondere Anforderungen an die Einhaltung der Betriebs- und Herstellparameter der Schaltung.

Die Schaltung arbeitet sehr schnell und ist in ihrer Geschwindigkeit vergleichbar mit den sehr kurzen no natürlichen Umschaltzeiten der losephson-Kontakie selbst.

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

Speicher- und Verknupfungselemente lassen sich leicht innerhalb einer Schaltungsgruppe mn gemeinsa mem Substrat zusammenfassen, da beide Funktionen durch dieselbe Schaltung realisiert werden.

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

Fig. 1 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 Josephson-Elementes im normalleitenden Zustand;

Fig. 3 Kennlinien zur Erläuterung der Bedingungen für die kleinstmögliche Spannung V,_mn, bei der noch ein selbsttätiges Rückstellen eines Josephson-Elementes vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand erfolgt;

F i g. 4 das Schaltbild einer bistabilen Schaltung;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der bistabilen Schaltung nach F i g. 4 in integrierter Schaltungstechnik;

Fig. 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 UND-Glied bzw. ODER-Glied;

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

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

Fig. 10 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer logischen Verknüpfungsschaltung mit einer zusätzlichen Steuerleitung zum Aufbringen eines vorspannenden Steuerstromes /ec;

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

Fig. 12 ein Schaltungsbeispiel für die Stabilisierung des vorspannenden Steuerstromes Ibc

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

Fig. 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.

F ι g. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Bauelemente der Grundschaltung des binären Schaltkreises nach der Erfindung. Eine Spannungsquelle V₍, mit der hier zunächst als rein ohmisch angenommenen Quellenimpedanz /?s liefert die Spannung für die Serienschaltung zweier Josephson-Elemente /i und J₂. Parallel zum ersten Josephson-Element /ι ist eine Belastung Ri ι geschaltet: parallel zum zweiten Josephson-Element /; ist eine gleichartige Belastung R_{t 2} geschaltet Jedes der Josephson-Elemente kann durch Steuerströme U ι bzw. /i ; geschaltet werden. Die Bezeichnung /₍ ι bedeutet hier beispielsweise den wirksamen Steuerstrom für das erste )osephson-F!ement /,. 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 Steuerleitung zu schicken. Wesentlich ist, daß die speisende Spannung Vc etwa der Energielückenspannung eines Josephsonelementes entspricht. Diese Spannung kann sich über die Serienschaltung nur ungleichmäßig verteilen, indem der Spannungsabfall entweder an dem ersten Joseph;on-Element auftritt, wobei das zweite Josephson-Eleinent 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 Ast der Kennlinie dargestellt, der mit der Ordinatenachse Wiammenfällt. Der Josephson-Strom bei der Spannung Null kann bis zu einem Maximalwert I_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 Vc. Wird der speisende Strom herabgesetzt, so tritt die Rückstellung in den supraleitenden Zustand — gestrichelt dargestellt — bei einem minimalen Stromwert 1min und einer dazugehörigen Rückstellspannung Vmin auf. Die Werte der RücksteHspannung, des Rückstellstromes sowie auch unter Umständen der Verlauf der Kennlinie können sehr staik 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 I_t addieru Die Widerstandsgerade geht durch den Koordinatenursprung und bildet mit der Abszissenachse einen Winkel φ, wobei der Kotangens dieses Winkels der Belastungsimpedanz entspricht In dem neuen schiefwinkligen Koordinatensystem wird von der Energielückenspannung Vc, der an der Quellenimpedanz /?sauftretende Spannungsabfall

(I,+ ImJ ■ Rs
abgezogen, um den sich einstellenden Aroeitspunkt aufzufinden. Man ersieht daraus, daß die Quellenimpedanz zweckmäßig sehr niedrig ist, jedoch einen gewissen Mindestwert aufweisen muß.

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

ίο die Fig.3, weiche 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 Ri.

entsprechende Widerstandsgrade ist hier positiv verlaufend im ersten Quandranten eingetragen. Die der Queüenimpedanz Rs entsprechende Gerade verläuft 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-Addiert man dazu graphisch den durch den Josephson-Kontakt fließenden Strom 1min, 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 Josephson-Kontakt und Belastungsimpedanz ermitteln. Diese Kennlinie ist in der Figur mit //+//?/ bezeichnet. Daraus können die Arbeitsbedingungen für den sich gerade im normalleitenden Zustand befindlichen Josephson-Schalter abgelesen werden. Denn in der Serienschaltung der beiden Josephson-Elemei.te 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

■ίο Josephson-Elementes mit seiner Belastungsimpedanz liegt. Um nun eine untere Grenze für Vmin abschätzen zu können, ist — gestrichelt dargestellt — eine weitere Kennlinie 2 ('//+/r/J 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

Vc — Rs ■ !'min-

Wie nun leicht aus der Figur ersichtlich, muß die doppelte RücksteHspannung 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 Vmin> Vg-Rs- I'min

fao läßt sich leicht die Bedingung für die kleinstmogliche RücksteHspannung ableiten. Man setzt den der Figur eingetragenen Wert

hiiN+ Vmin/Rl

ein und erhält als Bedingung für die kleinstmogliche RücksteHspannung:

(Vc-R_s- W/(2 + R₅ZR₁J.

IO

Für die Abschätzung kann man beispielsweise mit folgenden Werten rechnen. Der innere Spannungsabfall betrage etwa 6%, d. h.

Rs- 1min "0,06 V_c.

Das Verhältnis von Quellenimpedanz Rs zu Lastimpedanz Rl betrage etwa 1 :4. Dann ergibt sich als Mindestwert

Κμ/λ/>0,42· Vg.

Daraus ist zu ersehen, daß die kleinstmögliche Rückstellspannung sogar kleiner als die halbe Energieliickenspannung sein darf. Solche Bedingungen sind leicht mit Josephson-Kontakten zu erfüllen, die mit nicht zu hohen Stromdichten arbeiten müssen. Zweckmäßig verwendet man sogenannte .ange Josephson-Kontakte. deren Längserstreckung in Richtung des sie durchfließenden Stromes etwa das Dreifache der Josephson-Eindringtiefe beträgt.

F i g. 4 zeigt das Schaltbild einer bistabilen Schaltung. eines sogenannten Flipflops. Diese bistabile Kippschaltung ist elektrisch völlig symmetrisch aufgebaut. Zwei Josephson-Schalter /1 und h mit möglichst gleichen Eigenschaften sind hinter einander an die speisende Spannung angeschaltet, welche der Energielückenspannung V(, entspricht Zum Stabilisieren dieser speisenden Spannung bietet man dem Speisestrom In eine Ableitung zur Erde über ein weiteres Josephson-Element /s. Dieses besteht aus einem Josephson-Kontakt. der so dimensioniert ist, daß er sich gewöhnlich im normalleitenden Zustand befindet. Der an diesem dritten Josephson-Element auftretende Spannungsabfall entspricht daher immer der Energielückenspannung Va- Eine besondere Steuerleitung braucht in diesem Falle für das dritte Josephson-Element nicht vorgesehen κ werden. Die Josephson-Schalter der Kippschaltung sind hingegen mit Steuerleitungen versehen. Eine Steuerleitung 1 befindet sich bei dem Josephson-Schalter /1, eine Steuerleitung 2 bei dem Josephson-Schalter /2. Auch hier steht das Symbol für eine Steuerleitung allgemein für eine Steuereinrichtung oder Steuermöglichkeit, die je nach den Umständen eine oder mehrere solcher Steuerieitungen umfassen kann. Die Lastimpedanz besteht hier aus mehreren Widerständen und einer Induktivität. Die Lastimpedap? Rl 1 des Josephson-Schalters /1 enthält die Widerstände 3 und 4. sowie die Induktivität Li. Die Lastimpedanz R₁ ? des zweiten Josephson-Schalters /2 enthält die Widerstände 5 und 6. sowie die Induktivität L₂. Auch die Quellenimpedanz Rs 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-Kontakt 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 Z6 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 seia

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 binären Schaltkreises ist immer eines der Josephson-Elemente supraleitend und das andere normalleitend. Deshalb sind immer an den Lastimpedanzen das wahre Signal und sein Komplement verfügbar. Zweckmäßig verwendet man zum Ansteuern folgender Stufen die Ausgangsleitung, deren Abschlußwiderstand geerdet ist. Im Beispiel ist die erste Lastimpedanz aufgeteilt in die Widerstände 3 und 4. Hier ist jedoch eine Rückleilung 7 erforderlich, die zum Schaltungsknoten zwischen den beiden Josephson-Elementen zurückführt. Die zweite Lastimpedanz ist aufgeteilt in die Widerstände 5 und 6, wnH/»i Λί*Γ Widerstand β 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 gterdete 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 Josephson-Strom dieses Elementes herabgesetzt, so daß es in den normalleitenden Zustand umschaltet. Das andere Josephson-Flement des binärer 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 nvt gleichen Bezugszeichen versehen. Die Schaltung wird auf einer — nicht dargestellten — supraleitenden Grundplatte aufgebaut. Diese kann aus einem geeigneten Metal! 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 Metalhsie rungsstreifenmuster 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 für den speisenden Strom Ib. auf welche der Josephson-Kontakt /i zum Stabilisieren der speisenden Spannung auf den Wert der Energielückenspannung V₁,- aufgebracht wird Weiter folgt ein T-förmiges Stück, auf welches der Josephson-Kontakt des Josephson-Schalters 7i 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. Bleioxyd oder Indiumoxyd, für die Josephson-Kontakte /1. /; und /< hergestellt. Eine weitere Metallisierung aus Legierungen bildet die Leitungen des Schaltkreises- Ein erstes

T-förmiges Stück verbindet den Josephson-Kontakt J₃ zum Stabilisieren der speisenden Spannung mit der geerdeten Grundp'atte. Ein weiteres Leitungsstück bildet die obere Elektrode der Josephson-Schalter J, und Ji und die Leitungszüge 7 und 8. Die Widerstände 3, 4, 5, 6 und Rs werden 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 Schalturigsknoten der Verbindungsstelle der beiden Josephson-Elemente /1 und J₂ einfügen. Eine Isolierschicht, beispielsweise aus Siüciumoxyd, deckt die Schaltung ab. Auf dieser Isolierschicht werden dann die Steuerleitungen ! und 2 aufgebracht.

Die Josephson-Kontakte werden mit Stromdichten unterhalb bis höchstens lOkA/cm² betrieben. Bei der angegebenen Stromdichte und den Materialien beträgt die Josephson-Eindringtiefe 4 μΐη. Die Oxydschichten der Josephson-Kontakte sind etwa 12 μπι lang. Mit dem dreifachen der Josephson-Eindringtiefe s^;nd die Kontakte demnach sogenannte lange Josephson-Kontakte. Die Breite der Kentakte beträgt etwa ΙΟμίτι. Der 2^r> 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-Elemente angeordneten Teilwiderstände 3 und 5 besitzen etwa 0,5 Ω. Der 1» Längswiderstand 4 bei dem Josephson-Element /1, bzw. der Abschlußwiderstand 6 der Ausgangsleitung 8 haben je 0,8 Ω. lede Lastimpcdanz besteht daher aus der Parallelschaltung von 0,5 und 0,8 Ω, was einen Gesamtwiderstand von 0,31 Ω ergibt. Der normale \~-> Tunnelwiderstand 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 -to und sind auch abhängig von den verwendeten Materialien und Einzelheilen 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 Schaltungstechnik. Gleichartige Einzelheiten sind gleich wie in den vorangehenden V) 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 Ausführungsbei- « spiel der Josephson-Kontakt J, in r,~iner Fläche kleiner als der andere Josephson-Kontakt Ji. Dies ist in dem Schaltbild der F1 g. 7 dadurch angedeutet, daß hier /> mit einem kleinen Schaltsymbol und J₂ mit einem großen Schaltsymbol dargestellt sind. wi

Um den binären Schaltkreis monostabil zu machen, ist auf diese Weise eine künstliche Unsymmetrie geschaffen. Das ist an sich auf verschiedene Arten möglich, beispielsweise durch unterschiedliche Beiastungsimpcdanzen oder durch zusätzliche Kontrollstrome, die "-, gegebenenfalls auch nur auf eines der beiden Josephson-Elemente einwirken. Wenn für den Entwurf der Schallung das gewünschte Schaltverhaltcn 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-Element, hier das flächenmäßig kleinere, in den normaileitenden 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 /(bei dem ersten Josephson-Schalter J\ parallel zu der Richtung des Stromes im Josephson-Kontakt, die von dem positiven Anschluß zur Erde führt. In der zum Josephson-Sdialter J₂ gehörigen Steuerleitung 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 Steuerleitung, die wegen der notwendigen Isolation eine größere Anzahl von Verfahrensschritten bei der Herstellung benötigen würde. Stattdessen führt man den erdseitigen Anschluß des Josephsop-Sclialters J₂ in der Darstellung nach F i g. 6 nach oben, so daß die Steuerleitungen 9 und to durchgehend aufgebracht werden können. Ein Steuerstrom /₍in diesen Steuerleitungen bewirkt nun, daß der maximale Josephson-Strom des flächenmäßig kleineren Josephson-Schalters heraufgesetzt wird, und daß der maximale Josephson-Strom des flächenmäßig größeren Josephson-Schalters herabgesetzt wird. Durch Anlegen eines Steuersignales wir demnach der Schaltzustand der beiden hintereinander geschalteten Josephson-Elemente 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 Sleuerleitung.

Das Ausgangssignal entsteht durch den Strom Ιοιί durch die Belastungsimpedanz R/ 2 bzw. den Abschlußwiderstand 6. Zwischen der Ausgangsleitung 8 und der geerdeten gemeinsamen Rückleitung der Grundplatte kann daher das durch diesen Strom loin 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 /₍ bedeute das wirksame Eingangssignal, das aus mehreren Signalen kombiniert ist. Soll der Schaltkreis eine AND-Funktion ausführen, so ist 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 Ausgangssignal bewirkt.

F.in Ausführungsbeispiel nach dem Schaltbild der Fig. 7 arbeitet in folgender Weise. Liegt nur die speisende Spannung an und kein Eingangssignal, so befindet sich der Josephson-Schalter /1 im normallcitenden Zustand und der Josephson-Schalter /2 im supraleitenden Zustand. Der supraleitende Josephson-Schalter J₂ schließt die Belastungsimpedanz Ri₂ kurz, weshalb dort kein Spannungsabfall entsteht und auch kein Ausgangssignal abgenommen werden kann. Wenn das effektive Eingangssignal, d. h. die Summe aller Ein-

gangssignale das Umschalten des binären Schaltkreises bewirkt, wird der Josephson-Schalter ]\ supraleitend und der Josephson-Schalter J₂ geht in den normalleitenden Zustand über. Jetzt liegt eine Spannung an der Belastungsimpedanz R_L2, 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. ,o

Bei dem Ausführungsbeispiel nach dem Schaltbild der F i g. 8 ist der großflächige Josephson-Kontakt bei dem Josephson-Schalter J\ und der kleinflächige Josephson-Kontakt bei dem Josephson-Schalter J₂. 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 J\ supraleitend und der Josephson-Schalter J₂ normalleitend. Es tritt also eine Spannung an der Belastungsimpedanz Ri2 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 J\ in den normalleitenden Zustand und der Josephson-Schalter J₂ in den supraleitenden Schaltzustand über. Jetzt entsteht keine Spannung an der Belastungsimpedanz Rl2, so daß je nach der Auslegung dieses Schaltkreises er als Inverter arbeitet bzw. je nach der Verknüpfung der Eingangssignale die NAND-Funktion oder die NOR-Funktion liefert.

Wenn 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 AND-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 flächenmä-Big 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 scheiiiatisch die Steuerkennlinien für das invertierende Verknüpfungsglied nach dem Ausführungsbeispiel der Fig.8. Du· Kurven stellen die Abhängigkeit des maximalen losephsonstromes Imax vom wirksamen Steuerstrom /₍ dar. Die Kennlinie mit den höheren Werten für den Josephsonstrom gehört zu dem großflächigen Josephson-Schalter j\. Die Kurve mit den kleineren Werten gehört zu den kleinflächigen Josephson-Schalter J₂. Der bei Abwesenheit von Steuerströmen durch die Serienschaltung der beiden Josephson-Kontakte fließende Ruhestrom I₀ ist so b5 gewählt, daß der Arbeitspunkt im Ruhezustand gerade zwischen den beiden Kennlinien liegt. Bei diesem Stromwert ist der maximale Josephsonstrom für den kleineren Josephson-Kontakt des Schalters J₂ gerade überschritten, so daß sich dieser Josephson-Schalter /_> im spannungsbehafteten, normalleitenden Schaltzustand befindet Der maximale Josephsonstrom ist hingegen für den Josephson-Kontakt des Schalters J\ noch nicht überschritten. Der Josephson-Schalter J\ 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 Rl2 der Ausgangsstrom four fließt. Werden nun Eingangssignale nach der NAND-Funktion oder der NOR-Funktion miteinander verknüpft, so fließt ein effektiver Steuerstrom Io Dieser ist infolge der Leitungsführung in beiden Josephson-Elementen in verschiedener Richtung wirksam. In der Zeichnung ist das mit + Ic bzw. — Ic angedeutet In dem Josephson-Schalter /1 bewirkt die Summe von I₀ und + Ic, daß der maximale Josephsonstrom überschritten wird. Das Element J\ schaltet demnach in den normalleitenden Zustand. Der im Josephson-Schalter J₂ wirksame Strom, der aus /0 und — Ic zusammengesetzt ist, schaltet dieses Element in den supraleitenden Zustand. Dadurch wird die Belastung Rl2 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 zpigt das Schaltbild einer inverlierenden Verknüpfungsschaltung, die mit einer zusätzlichen Steuerleitung über beide Josephson-Schalter versehen ist. Durch diese Steuerleitung wird ein vorspannender Steuerstrom /st geschickt. Wie aus den Kennlinien in Fig. 11 ersichtlich, verschiebt im Ruhezustand dieser zusätzliche vorspannende Steuerstrom /erden Arbeitspunkt zwischen die steilen Äste der beiden Kennlinien. Schwankungen im Ruhestrom /0 können sich jetzt weniger störend auswirken. Im übrigen ist die Arbeitsweise dieser Schaltung entsprechend dem an Hand der Fig.8 und 9 beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Dieser vorspannende Steuerstrom /st 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 /er führt, die Parallelschaltung eines weiteren Josephson-Kontaktes mit einem Widerstand. Diese Schaltung wird mit einer Spannung V₀ betrieben, die höher als die Energielückenspannung liegt. Denn der im Zuge der Leitung liegende zusätzliche Josephson-Kontakt soll mit seinem normalen Tunnelwiderstand wirksam sein. Zweckmäßig wählt man diese Spannung V₀ als das Doppelte der Energielückenspannung. In diesem Falle gewinnt man sie an der Serienschaltung zweier sich im normalleitenden Zustand befindlicher Josephson-Kontakte. Zur Erläuterung dient die Fig. 13, in welcher der vorspannende Steuerstrom Inc in Abhängigkeit von der maximalen Stromdichte des Josephsonstromes j_lmx aufgetragen ist. In langen Josephson-Kontakten, wie sie

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vorzugsweise für den binären Schaltkreis verwendet werden, ist der maximale Josephsonstrom Imax etwa proportional der Wurzel aus der Stromdichte j_WäX. Der vorspannende Steuerstrom Ibc sollte nach Möglichkeit eine gleichartige Abhängigkeit von der Stromdichte haben. Die normale Tunnelleitfähigkeit Gnn eines Josephson-Kontaktes bei der Vorspannung V₀ in der Größenordnung der doppelten Energielückenspannung ist proportional der Stromdichte j_max. Für die Annäherung an den Strom /sein einem gewissen Bereich 10 um den Arbeitspunkt OP herum ist ein Parallelwiderstand erforderlich. Die Kennlinie der Stabilisierungsschaltung sollte im Arbeitspunkt die /gc-Kennlinie berühren und praktisch tangential verlaufen. Die Kennlinie schneidet bei der Stromdichte Null die Stromachse bei dem Wert VoGo. Man kann leicht ermitteln, daß für diesen Leitwert Go ein Widerstand gleicher Größe erforderlich ist, wie der Tunnelwiderstand des stabilisierenden Josephson-Kontaktes. Die Werte Gnn und Go sind daher zweckmäßig von gleicher Größe. Diese Stabilisierungsschaltung erfordert nur, daß die maximalen Stromdichten j_max der verschiedenen Josephson-Kontakte der gleichen Baugruppe von gleicher Größenordnung sind. Der auf diese Weise gewonnene vorspannende Steuerstrom hc kann gleichzeitig von mehreren logischen Schaltungen verwendet werden.

Die gemeinsame Stromversorgung einer großen Anzahl von binären Schaltkreisen erfolgt zweckmäßig in Gruppen. F i g. 14 zeigt schematisch ein Beispiel einer solchen Stromversorgungsschaltung. Jede der Ebenen 1 —N enthält einen Block von etwa 1000 Schaltkreisen, die allgemein mit der Bezugszahl 11 bezeichnet sind. Die einzelnen Ebenen 1— N sind hintereinander in die gemeinsame Stromversorgungsleitung geschaltet, welche den Strom Ib liefert. In jeder Ebene liegen die einzelnen Schaltkreise 11 parallel an der Speisespannung, welche der Energielückenspannung Vc entspricht. Zur Stabilisierung der Speisespannung besitzen einzelne Gruppen innerhalb der Ebenen je eine gemeinsame Schaltung. Diese ist durch das Schaltsymbol eines schrägen Kreuzes angedeutet, welches den zur Stabilisierung notwendigen normalleitenden Josephson-Kontakt versinnbildlicht. Infolge der Serienschaltung der Ebenen in der Stromversorgungsleitung liegt jede dieser Ebenen auf einem anderem Potential. Diese Tatsache kann man sich für die Gewinnung des vorspannenden Steuerstromes Ibc zu Nutze machen. Wie in F i g. 15 gezeigt, gewinnt man die Spannung Ko 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 Ibc wird an die Zuleitung einer ersten Ebene und an die Rückleitung einer zweiten, benachbarten Ebene angeschlossen. Diese Schaltung versorgt die binären Schaltkreise 11 beider benachbarter Ebenen mit dem vorspannenden Steuerstrom Ibc·

Beim Umschalten des beschriebenen binären Schaltkreises wird ein verhältnismäßig starker Strom in die Belastungsimpedanz übertragen. Der Strom ist mehr als dreimal so groß wie notwendig, um weitere binäre Schaltkreise der gleichen Art anzusteuern. Der Ausgangsstrom 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 der OR, 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 Ausgangsleitung, die über die Steuerleitung 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 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 Steuerstrom, 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 dem 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 verändert werden. Es kann der 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

so 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, Zählschaltungen, Schieberegister und ähnliches aufbauen. Weiter können alle Arten von logischen Verknüpfungsschaltungen gebaut werden, die beispielsweise auch arithmetische Operationen ausführen können. Außer den bisher genannten logischen Verknüpfungsschaltungen können auch beispielsweise Addierschaltungen nach dem Prinzip des beschriebenen binären Schaltkreises entworfen werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (25)

1. Patentansprüche:

   !. Binärer Schaltkreis mit Schaltkreiselementen, weiche 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, daß von den beiden Josephson-Elementen zur gleichen Zeit nur das erste in dein spannungsbehafteten Schaltzustand und das zweite in dem supraleitenden 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 daß ?n mindestens einer der den Josephson-Elementen zugeordneten Lastimpedanzen die an dieser Lastimpedanz auftretende Spannung bzw. der zugehörige Strom als Ausgangssignal abnehmbar ist.
2. 2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Grundschaltung symmetrisch aufgebaut ist, womit ein bistabiles Schaltverhalten erreichbar ist.
3. 3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Josephson-Elemente (J_u J₂) der Serienschaltung Josephsonkontakte mit gleich großen Flächen aufweisen.
4. 4. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Grundschaltung unsymmetrisch aufgebaut ist, womit ein monostabiles Schaltverhalten erreichbar ist.
5. 5. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Josephson-Elemente (J], J₂) der Serienschaltung Josephsonkontakte mit unterschiedlich großen Flächen aufweisen.
6. 6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die konjunktive Verknüpfung von Eingangsdaten das Flächenverhältnis der Josephsonkontakte 0,6 :1 beträgt.
7. 7. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die disjunktive Verknüpfung von Eingangsdaten das Flächenverhältnis der Josephsonkontakte 0,8 : 1 beträgt.
8. 8. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

   . zeichnet, daß die Belastungsimpedanzen (R_L\, Rn) unterschiedlich groß sind.
9. 9. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Unsymmetrie durch in den beiden Josephson-Elementen (J], J₂) unterschiedlich wirksame Steuerströme einstellbar ist.
10. 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 Verknüpfung von Eingangsdaten erreichbar ist.
11. 11. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch in den beiden Josephson-Elementen (Ju Ji) unterschiedlich wirksame Steuerströme der Grad der Unsymmetrie bis zur Symmetrie einstellbar ist, womit ein wahlweises monostabiles bis bistabiles Schaltverhalten einstellbar ist.
12. 12. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Josephson-Element der genannten Grundschaltung als Josephson-Schalter mit mindestens einer Steuerleitung aufgebaut ist.
13. 13. Schaltkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß beide Josephson-Schalter (Ju /2) getrennte Steuerleitungen (1,2) aufweisen.
14. 14. Schaltkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß beide Josephson-Schalter (7i, J₂) mindestens eine durchgehende Steuerleitung (9, 10) aufweisen, welche bezüglich der Serienschaltung in beiden Josephson-Elementen einander entgegengesetzt wirksam ist.
15. 15. Schaltkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zusätzliche Steuerleitung vorhanden ist, welche bezüglich der Serienschaltung in beiden Josephson-Elementen im gleichen Richtungssinn wirksam ist (F i g. 10).
16. 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 die kleinstmögliche Rückstellspannung V^w größer ist als der Quotient

    (Vo- Rs- Imin)I{2 + RsIRl),
    der aus der verfügbaren Spannung
    (Vc-Rs- 1min),

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

    (Va-Rs- Im_1n)

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

    (2 + Rs/Rl).
17. 17. Schaltkreis nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Quellenwiderstand zum Lastwiderstand wie 1 :4 verhält.
18. 18. Schaltkreis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Aufbau der Leitungszüge in integrierter Schaltungstechnik Induktivitäten (Ls, Li, L₂, L) wirksam vorhanden sind, die das selbsttätige Rückstellen begünstigen.
19. 19. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsimpedanzen in parallele Zweige (3,4 bzw. 5,6) aufgeteilt sind.
20. 20. Schaltkreis nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erdseitige Belastungsimpedanz aus einem nahe dem Josephson-Schalter (J₂) liegenden Zweig (5, L₂) und einer mit einem Widerstand (6) abgeschlossenen Ausgangsleitung (8) besteht.
21. 21. Schaltkreis nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Widerstand abgeschlossene Ausgangsleitung über die Steuerleitung eines folgenden logischen Schaltgliedes an Erde gelegt ist(Fig. 16).
22. 22. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur genannten Grundschal-

    tung ein im normalleitenden Zustand befindliches Josephson-Element (Ji) geschaltes ist, welches die speisende Spannung auf den Wert der Energielükkenspannung Vc stabilisiert
23. 23. Schaltkreis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Steuerleitung über die Parallelschaltung eines im normalleitenden Zustand befindlichen Josephson-Elementes mit einem Widerstand des Wertes des Tunnelwiderstandes an eine Spannung (Vo) 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. 24. Schaltkres 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-Elemente aufweist, und daß die genannten Ebenen in Serie in die Zuführungsleitung des speisenden Stromes eingeschaltet sind (Fig. 14).
25. 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).