DE2623605B2 - Mehrfach-josephsonkontakt-interferometer - Google Patents
Mehrfach-josephsonkontakt-interferometerInfo
- Publication number
- DE2623605B2 DE2623605B2 DE19762623605 DE2623605A DE2623605B2 DE 2623605 B2 DE2623605 B2 DE 2623605B2 DE 19762623605 DE19762623605 DE 19762623605 DE 2623605 A DE2623605 A DE 2623605A DE 2623605 B2 DE2623605 B2 DE 2623605B2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- josephson
- contacts
- interferometer
- current
- interferometer according
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
- Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
- Y10S505/856—Electrical transmission or interconnection system
- Y10S505/857—Nonlinear solid-state device system or circuit
- Y10S505/858—Digital logic
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
- Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
- Y10S505/856—Electrical transmission or interconnection system
- Y10S505/857—Nonlinear solid-state device system or circuit
- Y10S505/865—Nonlinear solid-state device system or circuit with josephson junction
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
- Logic Circuits (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Mehrfach-Josephson-Konkt-Interferometer
nach dem Oberbegriff des Patentspruchs 1.
Josephson-Kontakte sind sowohl als Speicherelemenals
auch als Schaltelemente zur Verwendung in hnellen logischen Schaltungen bekannt. Die Eigenhaften
der Josephson-Kontakte sind beschrieben in τ Veröffentlichung: »The Tunneling Cryotron —
A Superconductive Logic Element Based on Electron Tunneling« von J. Matisoo, Proc. IEEE, Februar
1967, Vol. S5, Nr. 2, S. 172- 180. Ein logisches Element
der in diesem Artikel beschriebenen Art besteht aus einer Torleitung und einer Steuerleitung, die oberhalb
des Tores angeordnet, aber von diesem isoliert ist. Die Steuerleitung besteht im allgemeinen aus einem
Supraleiter wie Niob, Zinn oder Blei. Der Josephson-Kontakt selbst besteht aus zwei sich überlappenden
ίο Streifen jines supraleitenden Materials. Im Uberlappungsbereich
sind diese Streifen durch eine Tunnelbarriere voneinander getrennt, die aus einem Oxyd eines
supraleitenden Metalls bestehen kann. Die Oxydbarriere hat im allgemeinen eine Dicke von 10 bis 30 A.Tor-
und Steuerleitung werden normalerweise isoliert auf der supraleitendeü Grundebene angeordnet.
Der Torstrom lg wird durch den Kontakt zugeführt,
der im Null-Spannungszustand eine Ausgangsimpedanz 2ö kurzschließt. Wenn die Summe der Eingangsströme /c
den Josephson-Schwellenstrom auf einen Wert < lg
reduziert, schaltet der Kontakt auf einen Spannungspegel, der Vg
< 2Ä/e\st.(2A/e = 2,5 mV für Bleikontakte.)
Nach dem Umschalten erzeugt die Spannung Vg einen
Strom /r = Vg/Zo in der Ausgangsimpedanz. Der
resultierende Strom kann zum Steuern anderer Schaltkreise benutzt werden. In den meisten Fällen
bleibt der geschaltete Kontakt im Spannungszustand und muß auf den Null-Spannungszustand zurückgestellt
werden durch ein momentanes Absenken von Ig. Es wurden jedoch auch schon nichthaltende Schaltkreise
vorgeschlagen, vgl. W. B ä c h t ο 1 d, Digest of Technical Papers, I.S.S.C.C, Philadelphia, 146 (1975).
Die Quanteninterferenz zwischen zwei parallelen Josephson-Kontakten, auch Interferometer genannt,
wurde beschrieben von R.C. J akl e ν ic, J. La mbe, J.
E. Mercereau, A. H.Silver, Physical Review, 140,
A1628, November 1965.
Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd! 17, Nr. 3,
August 1974, S. 901 -902, in einem Artikel »Single Flux Quantum Memory Cell for NDRO« beschreibt W. W.
Jutzi ein Interferometer mit drei Josephson-Kontakten und Mitteleinspeisung, in dem die Kontakte dieselbe
Größe haben und dieselben Ströme führen. Diese Anordnung ist jedoch nicht auf größere Trennung
zwischen den Kurvenzweigen, sondern auf einen Überlappungsbereich, in dem drei F.nergiezustände
möglich sind, angelegt. Die Anordnung befaßt sich weder mit Elementen, die in den Spannungszustand
umschalten, noch betrifft sie einen großen Betriebsbereich für Elemente mit einer hohen Verstärkung.
Der Artikel »Three Junction Interferometer« von S t u e I m und W i 1 m s e η, in Applied Physics Letters,
Bd.20, Nr. 11, Juni 1972, S.456-458, beschreibt eine asymmetrisch gespeiste Anordnung aus drei Josephson-Kontakten,
in der alle Kontakte dieselbe Größe haben. In diesem Artikel wird erkannt, daß der Abstand
zwischen den Zweigen der Schwellwertkurve eines Josephson-Kontaktes vergrößert werden kann durch
einen zusätzlichen Kontakt zu dem bekannten Interferometer. Während jedoch die Magnetfeldempfindlichkeit
gegenüber bekannten Interferometern mit zwei Kontakten erhöht wird, hat dieses asymmetrische
Interferometer mit drei Josephson-Kontakten nicht den maximalen Josephson-Stromdurchfluß bei Null-Span-
b5 nung auszuweisen, wenn kein Megnetfeld angelegt wird.
Der Artikel zeigt jedoch, daß ohne angelegtes Magnetfeld der größte Strom durch das Interferometer
fließt, wenn das Ejement symmetrisch gespeist wird,
ähnlich wie es im genannten Artikel von J u t ζ i gezeigt ist. Alle diese Anordnungen befassen sich mit einer
Verbesserung der Magnetfeldempfindlichkeit und nicht mit einer größeren Stromverstärkung bei gleichzeitiger
Verbesserung der Betriebsgrenzen von Flementen, die in logischen Schaltungen zu benutzen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrfach-Josephson-Kontakt-lnterferometer zu schaffen,
das verbesserte Verstärkungs- und Betriebsgrenzen gegenüber den bekannten derartigen Schaltungen
aufweist, im selbsthaltenden und im nichtselbsthaltenden Betrieb arbeiten kann, einen sehr niedrigen
Stromverbrauch und eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
Der Vorteil dieses Mehrfach-Josephson-Kontakt-Interferometer
liegt vor allem in der hohen Verstärkungseigenschaft und im niedrigen Stromverbrauch, so daß
sich logische Schaltungen mit einem hohen Integrationsgrad und sehr hohen Schallgeschwindigkeiten
aufbauen lassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anschließend näher
beschrieben. Es zeigt
Fig. IA die Schwellwertcharakteristik /^aIs Funktion
von Ic für ein aus drei Kontakten bestehendes herkömmliches Interferometer mit Mittenzuführung,
wobei die Kontakte alle dieselbe Größe haben und denselben größten Josephson-Strom /0 führen,
Fig. IB ein Schema eines Interferometers mit Mittenzuführung, bei dem alle Kontakte denselben
größten Josephson-Strom führen,
F i g. 2A die Schwellwertcharakteristik Ig als Funktion
von Ic für ein aus drei Kontakten bestehendes
Interferometer mit Mittenzuführung, wobei der mittlere Kontakt doppelt so viel Strom führt, 2 /0, wie die übrigen
Kontakte,
Fig.2B das Schema eines Interferometers mit Mittenzuführung, von dem ein Kontakt das Doppelte
des größten Josephson-Stroms der übrigen Kontakte führt; die Schwellwertcharakteristik hierfür ist in
F i g. 2A gezeigt,
F i g. 3A die Schwellwertcharakteristik Iga\s Funktion
von Ic für ein symmetrisches Interferometer mit drei
Kontakten und Doppelzuführung, wobei der mittlere Kontakt das Doppelte des größten Josephson-Stroms
der anderen Kontakte führt,
Fig.3B schernatisch ein symmetrisches Interferometer
mit Doppelzuführung, bei dem ein Kontakt das Doppelte des größten Josephson-Stroms der anderen
Kontakte führt,
Fig.4 schematisch eine Interferometerschaltung
ähnlich wie die Fig. IB, jedoch mit symmetrischer Doppelstromzuführung nach F i g. 3B,
F i g. 5 eine perspektivische Darstellung des symmetrischen Interferometers mit Doppelzuführung der
Fig.3Aund3B,
Fig.6 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Interferometers mit vier Josephson-Kontakten.
Wie oben schon bei der Beschreibung des Standes der Technik gezeigt wurde, sind asymmetrische Interferometer
und Interferometer mit drei Kontakten und Mittenzuführung, wobei alle Kontakte dieselbe Größe
haben und denselben Strom führen, allgemein bekannt. br>
Diese herkömmlichen Anordnungen werden zunächst mit erfindungsgemäßen Schaltungen verglichen. In der
nachfolgenden Beschreibung werden daher ein Interferometer mit Mittenzuführung und Kontakten gleicher
Größe, ein Interferometer mit Mittenzuführung und Kontakten, deren mittlerer doppelt so groß ist wie die
beiden anderen und ein symmetrisches Interferometer mit Doppelzuführung und drei Kontakten beschrieben,
von denen der mittlere das Doppelte des größten Josephson-Stroms führt. Außerdem werden Interferometer
mit drei und vier Josephson-Kontakten und symmetrischer Doppelstromzuführung und demselben
größten Josephson-Strom durch alle Kontakte beschrieben.
In Fig. IA ist die Schwellwertcharakteristik Ig als
Funktion von /c für ein herkömmliches Interferometer mit Mittenzuführung und drei Koniakten gezeigt, die
alle dieselbe Größe haben und denselben größten Josephson-Strom /0 führen. Für negative Werte von Ig
und Ic gibt es natürlich eine ähnliche Charakteristik; der
Klarheit und Einfachheit halber ist hier nur die Schwellwertcharakteristik für positive Werte von Ig und
Ic gezeigt. Die Charakteristik der Fig. IA ist im Zusammenhang mit F i g. 1B zu sehen, die ein Interferometer
mit Mittenzuführung zeigt, dessen sämtliche Kontakte denselben größten Josephson-Strom führen.
Die Schwellwertcharakteristik der Fig. IA erhält
man durch Anlegen des Torstroms Ig an das in F i g. 1B
gezeigte Bauelement und Bestimmung der Punkte, an denen das Bauelement der F i g. 1B in den Spannungszustand
umschaltet, wenn der Torstrom Ig verändert wird,
während der Steuerstrom /c konstant gehalten wird oder umgekehrt. Die Schwellwertkurve 1 in Fig. IA
zeigt also die Schaltschwelle für den 0,0-Vorlexbetrieb,
während die Kurven 2 und 3 die Schaltschwelle für den 1,0- und den 1,1-Vortexbetrieb zeigen. Jedesmal, wenn
der angelegte Torstrom die Schaltschwelle überschreitet, die durch die Kurven 1, 2 und 3 angegeben ist,
schaltet also das Bauelement der Fig. IB vom Null-Spannungszustand in den Spannungszustand um.
In den Bereichen, wo die Kurven 1, 2 und 3 sich überlappen, werden die Grenzen dieser Kurven
bestimmt durch Abfühlen der Zustandsänderung zwischen den Vortexbetriebsarten. Diese Zustandsänderungen
können abgefühlt werden durch Messen des Stromimpulses, der auf das Festhalten und Ausstoßen
von Flußquanten aus dem Bauelement der F i g. 1B zurückzuführen ist.
In Fig. IB haben die Kontakte /1, JI und /3 alle
dieselbe Größe, und da auch alle anderen Parameter gleich sind, führen sie denselben größten Josephson-Strom
/0. Diese Kontakte bilden in Verbindung mit den Induktivitäten 4, der zentral angeordneten Torstrom-Zufuhrleitung
5 und der Steuerleitung 6 das Interferometer 7, das die in Fig. IA gezeigte Schwellwertcharakteristik
hat.
Mit dem Interferometer 7 und der in Fig. IA
gezeigten zugehörigen Schwellwertcharakteristik erhält man den schraffierten Bereich, der sonst als
Arbeitsbereich bezeichnet wird. Benutzt man für die Verstärkung das Verhältnis von Ig zud Ic ah sehr grobe
Annäherung, so läßt sich aus Fig. IA entnehmen, daß sich nur mit sehr engen Grenzen und einem genauen
Wert des Stroms brauchbare Verstärkungen erzielen lassen.
Die in F i g. 1B gezeigte Anordnung stellt insofern
eine Verbesserung gegenüber Interferometern mit zwei Kontakten dar, als der zusätzliche dritte Kontakt die
Kurven auseinanderschiebt. Die Verstärkung wurde dabei aber nicht wesentlich verbessert und auch der
Arbeitsbereich insofern nicht vergrößert, als man nicht
auf eine genaue Regelung von Ig und /c verzichten
konnte. Aus F i g. 1B ist auch zu ersehen, daß die Ströme durch die Kontakte /1, / 2 und /3 normalerweise gleich
/o · sin Φ sind und der Strom durch den Kontakt /2 anders ist als die Ströme durch die Kontakte J1 und /3,
weil der Strom durch /2 einen Weg mit niedriger Impedanz antrifft. Infolgedessen ist die Phase Φ des
Stroms in den Kontakten nicht dieselbe wie vor der Umschaltung.
Um die mit dem Interferometer 7 der Fig. IB
verbundenen Probleme der Verstärkung und der Grenzwerte zu lösen, wurde der größte Josephson-Strom
/o des Interferometers 7 erhöht, indem man durch den mittleren Schenkel des Interferometers 7 der
Fig. IB einen Strom 2 k fließen ließ. Das resultierende
Interferometer 8 ist schematisch in Fig. 2B gezeigt, wobei der Kontakt /2 schematisch durch ein größeres
X dargestellt ist als die Kontakte Ji und /3. Das
Interferometer 8 hat ebenfalls Mittenzuführung über die Torstromleitung 5 und wird gesteuert über die
Steuerleitung 6. Die Induktivitäten 4 haben denselben Wert und sind ähnlich angeordnet wie die bei der in
F i g. 1B gezeigten Schaltung.
Die Kurve in Fig.2A, die ähnlich ist wie die in Fig. IA, zeigt die Schwellwertcharakteristik des Interferometers
8 der F i g. 2B. Die Amplitude der Haupt- und Nebenkurven 1, 2, 3 wurde über die Werte erhöht,
die in Fig. IA gezeigt sind. Das bedeutet, daß die
Verstärkung des Interferometers 8 gegenüber derjenigen des Interferometers 7 verbessert wurde.
Die Amplitude der Kurve 2 in F i g. 2A wurde ebenfalls vergrößert, wodurch Bauelemente wie das
Interferometer 8 Grenzproblemen ausgesetzt sind, die mit der Amplitudengenauigkeit des Torstroms und des
Steuerstroms zusammenhängen. Durch die vorliegende Erfindung werden die praktischen Probleme gelöst, die
bei der heutigen Technik nicht dadurch gelöst werden können, daß man einfach sehr große Torströme und
sehr kleine Steuerströme anlegt und dadurch theoretisch eine sehr hohe Verstärkung erhält. Ungeachtet der
theoretischen Möglichkeiten verlangt die Praxis eine Schaltung, die auch noch zufriedenstellend arbeitet,
wenn eine Anzahl von Parametern von ihrem Nominalwert abweicht. Die in Fig.2 gezeigte Schaltung
hat zwar eine gute Verstärkung und auch einen verbesserten Arbeitsbereich, verlangt jedoch immer
noch eine sehr genaue Steuerung der Parameter lg und
Ic wegen der Amplitude der Nebenkurve 2, die ebenfalls gegenüber der Amplitude der Nebenkurve 2 in F i g. IA
erhöht wurde. Somit lassen Verstärkung und Arbeitsbereich auf dieser Schaltung noch Wünsche offen. Was für
die Phasendifferenz im Zusammenhang mit Fig. IB gesagt wurde, gilt auch für die in Fig.2B gezeigte
Anordnung.
In den F i g. 3A und 3B ist die Schwellwertcharakteristik für ein Interferometer mit drei Kontakten gezeigt,
deren mittlerer einen doppelt so großen höchsten Josephson-Strom führt wie die beiden anderen, und das
mit einer symmetrischen Doppelzuführung für das Anlegen des Torstroms versehen ist. Fig.3B zeigt
schematisch ein Interferometer 9, das in jeder Hinsicht ähnlich aufgebaut ist wie das in Fig. 2B gezeigte, der
Torstrom wird jedoch über die in Fig. 3B mit LP
bezeichneten Induktivitäten 10 zugeführt, und zwar an den Mittelpunkt der mit L bezeichneten Induktivitäten
4. Wie bei der in Fig. 2B gezeigten Schaltung ist der
mittlere Kontakt /2 doppelt so groß wie die Kontakte /1 und 73. DicStcuerIeitung6ist mit den Induktivitäten
4 und den beiden Schleifen des Interferometers induktiv gekoppelt.
Die Schwellwertcharakteristik in Fig.3A zeigt, daß
bei dem in Fig.3B dargestellten Interferometer 9 die
Verstärkung und der Arbeitsbereich dadurch wesentlich verbessert wurden, daß eine symmetrische doppelte
Zuführung und ein Kontakt vorgesehen wurden, der das Doppelte des größten Josephson-Stroms der anderen
Kontakte des Interferometers 9 führen kann. Fig.3A zeigt klar, daß die Amplitude der Hauptkurve 1 höher ist
als die der Hauptkurve 1 der F i g. 2A. Außerdem ist die Hauptkurve 1 in der Nähe der Spitze beträchtlich enger
geworden und hat unter Anwendung der groben Näherung des Verhältnisses von Torstrom zu Steuerstrom
eine Verstärkung von mehr als 3. Da die Amplitude der Nebenkurve 2 außerdem jetzt beträchtlich
heruntergesetzt werden konnte, sind die extrem engen Toleranzen für den Torstrom und den Steuerstrom,
die für die Interferometer in den F i g. 1B und 2B nötig waren, nicht mehr erforderlich. Zwischen der
Hauptkurve 1 und der Nebenkurve 3 der F i g. 3B steht ein relativ breiter Arbeitsbereich zur Verfugung. Der
schraffierte Arbeitsbereich in F i g. 3B zeigt die Verbesserung auf den ersten Blick. In der das vorgezogene
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigenden F i g. 3B ist der Wert der Induktivitäten 10 dreimal so groß wie
der Wert der Induktivität 4. Der Wert der Induktivität 10 kann vorzugsweise zwischen dem Zweifachen und
dem Fünffachen des Wertes der Induktivität 4 liegen.
Alle diese Werte liefern eine verbesserte Verstärkung und einen größeren Betriebsbereich gegenüber der in
Fig. IB gezeigten Anordnung. Nach Darstellung in F i g. 3B sind die Induktivitäten 10 mit den Mittelpunkten
der Induktivitäten 4 verbunden, der Anschluß an die Induktivitäten 4 kann aber natürlich auch an anderen
Stellen erfolgen. Das Hauptkriterium bei der Herstellung von Interferometern mit mehreren Kontakten,
großer Verstärkung und einem breiten Betriebsbereich ist die Stromzuführung in einer Art, daß die Phase Φ des
Stroms über den Kontakten bei angelegtem Null-Feld unmittelbar vor dem Umschalten immer dieselbe ist.
Dieses Kriterium gilt ungeachtet dessen, wieviel Kontakte benutzt werden sollen. Somit können auch
herkömmliche Anordnungen, ähnlich wie sie in F i g. 1B
gezeigt sind, eine größere Verstärkung und einen besseren Betriebsbereich haben, wenn sichergestellt
wird, daß die Phase Φ über allen Kontakten dieselbe ist
Diese identische Phase läßt sich in dem in Fig.A
gezeigten Schema dadurch erreichen, daß man die symmetrische Doppelstromzuführung so anordnet, daß
die Induktivitäten 10 mit den Induktivitäten 4 auf eine Art verbunden sind, daß die letztere im Verhältnis L/3
zu 2 L/3 geteilt wird. Abhängig von der Anzahl verwendeter Kontakte läßt sich also diese symmetrische
doppelte Stromzuführung sowohl in Interferometerr mit mehreren Kontakten benutzen, in denen der größte
Josephson-Strom durch einen Kontakt größer ist ah durch die anderen als auch in Interferometern, wo dei
größte Josephson-Strom durch alle Kontakte derselbe
W) ist. Bei jeder beliebigen Anzahl von Kontakten können
wenn die Phasen durch Bemessung der vom Torstrorr durchflossenen Induktivitäten richtig eingestellt sind
Interferometerschaltungen mit hoher Verstärkung unc verbesserten Arbeitsbereichsgrenzen aufgebaut wer
den.
In Fig.5 ist das symmetrische Interferometer 9 mi
doppelter Zuführung perspektivisch dargestellt. Die Schwellwertcharakteristik und die schematisch äquiva
lente Schaltung sind in den Fig. 3A, 3B gezeigt. Das
Interferometer 9 besteht aus einer Grundplatte 11 aus supraleitendem Material, wie beispielsweise Niob. Eine
dünne Oxydschicht 12 aus Nioboxyd (NbjO^) trennt die
Grundebene 11 von der nächsten Schicht, die die ■;
Basiselektroden der Kontakte /1, /2 und /3 bildet. Die Induktivitäten L werden durch Supraleiter, nämlich die
Grundelektrode 13 und die Gegenelektrode 14, aus Bleilegierung gebildet. Die Induktivitäten werden
bestimmt durch die Schichten 13 und 14 und die Oxydschicht 15, z. B. Siliziumoxyd, die wesentlich dicker
ist als das Oxyd zwischen den Teilen der Gegenelektrodenschicht 14, die sich näher zur Basiselektrode 13
durch Vertiefungen in der Oxydschicht 15 erstrecken und die Kontakte Ji, /2, 73 bilden. Zwei isolierte
Steuerleitungen 16 liegen über der Gegenelektrode 14 und werden durch eine nicht dargesteiltc Isolierschicht
in einem bestimmten Abstand von dieser Gegenelektrode 14 gehalten. Der Steuerstrom lc wird über die
Steuerleitungen 16 angelegt. Der Torstrom I1, wird an
den Anschluß 17 der Gegenelektrode 14 angelegt und fließt über das Element zum Anschluß 18 der
Basiselektrode 13. In der in F i g. 5 gezeigten Anordnung wird der Torstrom I1, über zwei Zweige 19 zugeführt, die
von der Basiselektrode 13 durch das Oxyd 15 räumlich getrennt sind und die Induktivitäten Lp bilden, die den
Wert 3 · L haben. Die Zweige 19 bilden die symmetrische Doppelzuführung, die an die Gegenelektrode 14
angeschlossen ist, die durch die räumliche Trennung von der Basiselektrode 13 durch die Oxydschicht 15
Induktivitäten des Wertes L bildet. Die Zweige 19 sind so ausgelegt, daß sie die Mittelpunkte der Induktivitäten
L speisen, die in Fig. 3B mit 4 bezeichnet sind. Die Induktivitäten Lp wurden in Fig. 3B mit 10 bezeichnet.
Die Steuerleitungen 16 sind elektromagnetisch mit den Schleifen gekoppelt, die durch die Kontakte Ji, JI, /3,
die Induktivitäten L, die Basis- und Gegenelektrode und die zugehörige Metallisierung gebildet werden. Weil die
Steuerleitungen 16 mit den Schleifen gekoppelt sind, können verschiedene logische Funktionen wie UND,
ODER usw. ausgeführt werden. Für die UND-Funktion
müssen beispielsweise beide Steuerleitungen 16 erregt sein, bevor die Schaltungsanordnung 9 umschaltet. Für
eine ODER-Operation schaltet die Anordnung 9 um, wenn die eine oder die andere der Steuerleitungen 16
erregt ist. Die Anzahl der verwendbaren Steuerleitungen 16 ist nur durch die Möglichkeit begrenzt, sie in die
richtige Lage zu bringen.
Die Kontakte Ji, J2 und 73 werden auf die übliche
Art dadurch gebildet, daß eine dünne Oxydschicht von r>o
10-30 Ä Dicke eine Tunnelbarriere bildet zwischen Basis- und Gegenelektrode, die aus supraleitendem
Material bestehen. Der Kontakt J 2 beispielsweise hat in der Fig. 5 eine dünne Oxydschicht 20, die die
Tunnelbarriere zwischen der Basiselektrode 13 und der « Gegenelektrode 14 bildet. Damit der Kontakt 72 einen
doppelt so großen höchsten Josephson-Strom führen kann wie die Kontakte J 1 und 73, ist er zweimal so lang-Weil
die Induktivitäten 4 und 10 gebildet werden müssen, macht man die Fläche des Kontaktes 72 am mi
besten doppelt so groß wie diejenige der Kontakte /1
und 73, damit der Kontakt /2 den doppelten größten loscphson-Strom führt. Natürlich kann man den
größten Joscphson-Strom in einem der Kontakle auch auf andere Weise erhöhen, beispielsweise durch μ
Vorsehen einer anderen Arbeitsfunktion für eine der F.lektroden. Die Dicke des Tunncloxyds kann man auch
so regeln, daß der größte loscphson-Strom gesteuert wird. Anstelle der hinreichend bekannten Joscphson-Strukturen
mit Tunneloxyden können auch bekannte Kontaktanordnungen mit schwacher Verbindung, sogenannte
Weak Links, eingesetzt werden, die andere Tunnelbarrieren enthalten. In einem solchen Fall kann
man den größten Wert des Joscphson-Siroms steuern durch Einstellen des Querschnitts, der Form oder der
Länge und Breite der Einschnürung.
Außerdem kann anstelle des üblichen Josephson-Kontaktes
mit Tunnclbarriere oder schwacher Verbindung natürlich auch ein normales Metall oder ein
Vakuum für die Tunnclbarriere eingesetzt werden. Bauelemente der erstgenannten Art sind in Fachkreisen
bekannt als S-N-S-Bauelemente (supraleitendes Metall — normales Metall — supraleitendes Metall). In diesen
Bauelementen kann der größte Josephson-Strom auf jede der vorgeschlagenen Arten gesteuert werden, so
daß man in wenigstens einem der ein Interferometer bildenden Kontakte einen anderen größten Josephson-Strom
erhält. Das in Fig. 5 gezeigte Interferometer 9 kann auf jede bekannte Art hergestellt werden. So
können die Metallschichten durch Vakuumniederschlag, die Kontaktoxyde durch Aufsprühen gebildet und ihre
Dicke gesteuert werden, wie es z. B. in der US-Patentschrift 38 49 276 beschrieben ist. Oxyde können auch
aufgedampft werden und durch fotolithographisches Maskieren und Ätzen mit den verschiedenen Metallschichten
angeordnet werden.
Das in F i g. 5 gezeigte Interferometer 9 kann z.B. folgende Parameter aufweisen. Die Basiselektrode 13 ist
von der Grundplatte 11 aus Niob durch eine 500 Ä dicke
Schicht 12 aus Nioboxyd isoliert. Die aus Bleilegierungssupraleitern durch die Schichten 13 und 14 gebildeten
Induktivitäten L sind voneinander durch eine 4000 Ä dicke Schicht 15 aus Siliziumoxyd getrennt und haben
unter diesen Umständen Werte von ungefähr 1,3 pHy. Der Hauptteil der Gegenelektrode 14, außer dem
Anschluß 17 und den Zweigen 19, hat eine Größe von 51 · 269 μιη2. Er bildet mit der Basiselektrode 13 durch
Vertiefungen in der SiO-Schicht 15 die Kontakte. Die Kontakte 71 und J 3 haben eine Fläche von etwa
9 · 11,5 μιη2, der mittlere Kontakt 72 ist doppelt so lang.
Zwei isolierte 13 μηι breite Steuerleitungen 16 sind über
der Gegenelektrode 14 angeordnet. Die durch die Zweige 19 gebildeten Induktivitäten Ln und die
Basiselektrode 13 haben Werte von annähernd 3,9 pHy.
Das Interferometer 9 hat eine ähnliche I-V-Charaktcristik
wie andere Josephson-Kontakte. Es hat einen Nullfeld-Schwellwertstrom /,„„ = 4 · /0 = 0,7 mA. Das
Interferometer 9 arbeitet bei niedrigen Strompegeln im wesentlichen genauso wie bekannte Josephson-Kontakte.
Die Stromaufnahme beträgt etwa 1,5 Mikrowatt im Dauerbetrieb bei angemessener Last. Wenn da?
Interferometer 9 im Selbsthaltcbetrieb arbeitet, wird eine gepulste Stromquelle gebraucht, um die Rückstel
lung nach jedem logischen Zyklus sicherzustellen. Lcgi man also einen Steuerstrom an, der ein magnetische!
Feld erzeugt, das wiederum magnetisch mit derr Interferometer 9 gekoppelt ist, so wird der Höchstwcr
des Josephson-Schwellstroms, bei dem das Interferone
ter 9 umschaltet, reduziert, und die Kontakte /1 bis Jl schalten in den Spannungszustand um und liefern in
wesentlichen den gesamten Torstrom an eine cnlsprc chend angepaßte Last, die mit dem Interferometer <
parallel geschaltet ist. Die Anschaltung der Last 21, dii
sehcmalisch in Fig. 3B gezeigt ist, erfolgt auf üblich«
Weise über Leitungen und kann eine Impedanz / haben, die gleich ist der Impedanz der Leitung. Die Las
21 kann aber auch mit jedem der Kontakte / 1, /2, /3 parallel gelegt werden.
Das Interferometer 9 kann im .selbsthaltenden und im
nicht sclbsthaltenden Betrieb arbeiten. Der Mindeststrom,
bei dem ein Josephson-Kontakt aus dem Spannungszustand in den Null-Spannungszustand zurückschaltet,
kann dadurch erhöht werden, daß man eine kleine resistive Last zum Kontakt parallel legt. Die
Hysteresis des Spannungszustandes von Josephson-Kontakten wird bekanntlich vernachlässigbar klein,
wenn β = 2-tC/?2/,„/'/>o<2, worin Cdie Kontaklkapazität,
/,„ der größte losephson-Strom, R der Wert einer
resistivcn Last, Φ» ein Flußquant und β eine Dämpfungskonstante
ist. Mit einer Last entsprechenden Widerstandes haben die ]osephson-Schwingungen des Interferometers
9 eine .Spannungsamplitude in derselben Größenordnung wie die der mittleren Kontaktglcichspannung.
Die Amplitude dieser Schwingungen wächst mit abnehmendem Steuerstrom, und eine Selbstrückstcllung
kann erfolgen, wenn beim negativen Ausschlag einer solchen Schwingung die Kontaktspannung momentan
Null ist. In den üblichen Josephson-Kontakten ist die Kapazität der Kontakte jedoeh im allgemeinen so
groß, daß der nicht selbsthaltende Betrieb unvernünftig niedrige Ausgangsleitungsimpedanzen verlangt. In
Inicrferometern können jedoeh sowohl C als auch /,„
klein gehalten werden. Die Verwendung von Interferometern nach Art des Interferometers 9 gestattet somit
eine Selbstrückstellung bei höheren Impedanzen. Der nicht selbsthaltende Betrieb des Interferometers 9 kann
erreicht werden mit einem externen Lastwiderstand <0,15Ω. üci den üblichen Schaltungsanwendungen
können die abgeschlossenen Übertragungsleitungen ein nachfolgendes Element steuern.
In K i g. 6 ist ein Interferometer 22 mit vier Kontakten
und einer symmetrischen doppelten Stromzufuhr gezeigt, die sicherstellt, daß die Phase des Stroms in
jedem Kontakt vordem Umschalten immer dieselbe ist. F i g. 6 unterscheidet sich von Fig. 3B durch den
zusätzlichen Kontakt /4 und dadurch, daß der Strom
ίο durch alle Kontakte derselbe ist. Unter den in F i g. 6
gezeigten Bedingungen trifft der Strom auf symmetrische Zufuhrimpedanzen, und weil die Ströme durch die
Kontakte /1 bis /4 dieselben sind, ist die Phase in den Kontakten dieselbe und somit die Beziehung von Strom
und Induktivität linear. Wenn jedoeh einer dieser Werte verändert wird, müssen die Induktivitätswerte geändert
werden um sicherzustellen, daß über den Kontakten Strom derselben Phase fließt. Diese Werte können
mathematisch bestimmt werden.
Der größte Josephson-Strom in einem der Kontakte ist natürlich nicht auf zwei begrenzt, sondern kann,
lediglich durch praktische Überlegungen beschränkt, auch drei, vier oder fünf betragen. Er braucht in einem
Kontakt nur um einen Bruchteil höher zu sein, um bereits eine Verbesserung zu erzielen. Der größte
losephson-Strom kann natürlich auch in mehreren Kontakten größer sein. Verstärkung und Arbeitsbereich
werden verbessert, solange die Phase über allen Kontakten dieselbe ist. Darauf können die Induktivitä-
JO ten oder der Strom durch die Kontakte eingestellt werden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Josephson-Interferometer mit mehreren parallelgeschalteten
Josephson-Kontakten, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ströme durch die Kontakte in deren spannungsfreiem Schaltzustand
dieselbe Phasenlage aufweisen.
2. Josephson-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der
Josephson-Kontakte mit einer isoliert über ihm angeordneten Steuerleitung versehen ist.
3. Josephson-Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometeranordnung
parallel an einen Ausgangskreis (21, F \ g. 3b) mit Impedanz Za angeschlossen ist.
4. Josephson-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
gleiche Phasenlage der Arbeitsströme in dem Kontakt durch symmetrische Stromzuführungen
erzielt wird.
5. Josephson-Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zuführungsleitung
für den Arbeitsstrom (Ig, Fig.3b) eine
Induktivität (Lp, 10) enthält und an eine weitere Induktivität (L, 4) angeschlossen ist, die zwischen
jeweils zwei Josephson-Kontakten liegt, wobei zwischen den Induktivitäten die Beziehung Lp>
L besteht.
6. Josephson-Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei parallelgeschaltete
Josephson-Kontakte vorgesehen sind, deren mittlerer im Vergleich zu den äußeren den
doppelten maximalen Josephson-Strom aufweist und daß die Zuführungsleitungen für den Arbeitsstrom symmetrisch an die Mittelpunkte der Induktivitäten
(4, F i g. 3b) zwischen den Kontakten (J 1, /2; / 2, J 3) angeschlossen sind.
7. Josephson-Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei gleiche Josephson-Kontakte
vorgesehen sind und daß die Stromzuführungen für den Arbeitsstrom so an die Induktivitäten
zwischen jeweils zwei Josephson-Kontakten angeschlossen sind, daß diese im Verhältnis ein
Drittel zu zwei Drittel geteilt werden, wobei der jeweils kleinere Induktivitätsabschnitt den äußeren
Josephson-Kontakten zugewandt ist.
8. Josephson-Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vier gleiche Josephson-Kontakte
vorgesehen sind, daß jeweils zwischen zwei Kontaktpaaren die gleiche Induktivität (4,
F i g. 6) vorgesehen ist und daß der Arbeitsstrom (Ig)
den Kontakten über eine symmetrische Doppelleitung mit jeweils einer Induktivität (Lp, 10) und über
die Mittelpunkte der beiden äußeren Induktivitäten zugeführt wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/592,000 US3978351A (en) | 1975-06-30 | 1975-06-30 | Quantum interference josephson logic devices |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2623605A1 DE2623605A1 (de) | 1977-01-13 |
DE2623605B2 true DE2623605B2 (de) | 1978-01-19 |
DE2623605C3 DE2623605C3 (de) | 1978-09-28 |
Family
ID=24368854
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2623605A Expired DE2623605C3 (de) | 1975-06-30 | 1976-05-26 | Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer |
Country Status (13)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US3978351A (de) |
JP (1) | JPS525296A (de) |
AU (2) | AU499843B2 (de) |
BE (1) | BE841361A (de) |
CA (1) | CA1044768A (de) |
CH (1) | CH600692A5 (de) |
DE (1) | DE2623605C3 (de) |
FR (1) | FR2316749A1 (de) |
GB (1) | GB1534785A (de) |
IL (1) | IL49644A (de) |
IT (1) | IT1064303B (de) |
NL (1) | NL7607136A (de) |
SE (1) | SE404854B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3008926A1 (de) * | 1980-03-08 | 1981-10-01 | Universität Karlsruhe Institut für Elektrotechnische Grundlagen der Informatik, 7500 Karlsruhe | Asymmetrische interferometer mit josephson-kontakten gleicher magnetischer laenge |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4117503A (en) * | 1977-06-30 | 1978-09-26 | International Business Machines Corporation | Josephson interferometer structure which suppresses resonances |
DE2840525A1 (de) * | 1977-09-26 | 1979-04-05 | Sperry Rand Corp | Supraleitende quanten-interferenz- einrichtung |
US4210921A (en) * | 1978-06-30 | 1980-07-01 | International Business Machines Corporation | Polarity switch incorporating Josephson devices |
JPS5588382A (en) * | 1978-12-27 | 1980-07-04 | Fujitsu Ltd | Preparation of tunnel junction type josephson element |
US4274015A (en) * | 1978-12-29 | 1981-06-16 | International Business Machines Corporation | Self-resetting Josephson digital current amplifier |
US4482821A (en) * | 1980-06-10 | 1984-11-13 | Nippon Telegraph & Telephone Public Corporation | Superconductive logic circuit |
US4400631A (en) * | 1981-02-12 | 1983-08-23 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | High current gain Josephson junction circuit |
JPS57167691A (en) * | 1981-03-31 | 1982-10-15 | Fujitsu Ltd | Josephson junction logistic gate |
JPS5856374A (ja) * | 1981-09-30 | 1983-04-04 | Fujitsu Ltd | ジヨセフソン論理積装置 |
US4585999A (en) * | 1984-04-27 | 1986-04-29 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Radiofrequency amplifier based on a dc superconducting quantum interference device |
US5012243A (en) * | 1989-08-24 | 1991-04-30 | Trw Inc. | Superconducting analog-to-digital converter with floating four-junction squid bidirectional counter |
US5019818A (en) * | 1989-08-24 | 1991-05-28 | Trw Inc. | Superconducting analog-to-digital converter with grounded four-junction squid bidirectional counter |
US5326986A (en) * | 1991-03-05 | 1994-07-05 | University Of Houston - University Park | Parallel N-junction superconducting interferometer with enhanced flux-to-voltage transfer function |
US5610857A (en) * | 1996-03-25 | 1997-03-11 | Tektronix, Inc. | Memory element with multibit storage |
US7615385B2 (en) | 2006-09-20 | 2009-11-10 | Hypres, Inc | Double-masking technique for increasing fabrication yield in superconducting electronics |
US7782077B2 (en) * | 2007-01-18 | 2010-08-24 | Northrop Grumman Systems Corporation | Method and apparatus for ballistic single flux quantum logic |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CH578290A5 (de) * | 1972-11-17 | 1976-07-30 | Ibm | |
CH560946A5 (de) * | 1973-09-20 | 1975-04-15 | Ibm | |
US3886382A (en) * | 1973-12-27 | 1975-05-27 | Ibm | Balanced superconductive transmission line using Josephson tunnelling devices |
-
1975
- 1975-06-30 US US05/592,000 patent/US3978351A/en not_active Expired - Lifetime
-
1976
- 1976-04-16 FR FR7611978A patent/FR2316749A1/fr active Granted
- 1976-04-28 CH CH532076A patent/CH600692A5/xx not_active IP Right Cessation
- 1976-04-30 BE BE166641A patent/BE841361A/xx not_active IP Right Cessation
- 1976-05-24 IL IL49644A patent/IL49644A/en unknown
- 1976-05-26 DE DE2623605A patent/DE2623605C3/de not_active Expired
- 1976-06-04 GB GB23291/76A patent/GB1534785A/en not_active Expired
- 1976-06-04 IT IT23942/76A patent/IT1064303B/it active
- 1976-06-09 JP JP51066661A patent/JPS525296A/ja active Granted
- 1976-06-15 SE SE7606782A patent/SE404854B/xx not_active IP Right Cessation
- 1976-06-16 CA CA254,966A patent/CA1044768A/en not_active Expired
- 1976-06-24 AU AU15260/76A patent/AU499843B2/en not_active Ceased
- 1976-06-29 NL NL7607136A patent/NL7607136A/xx not_active Application Discontinuation
-
1979
- 1979-04-10 AU AU45916/79A patent/AU512128B2/en not_active Ceased
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3008926A1 (de) * | 1980-03-08 | 1981-10-01 | Universität Karlsruhe Institut für Elektrotechnische Grundlagen der Informatik, 7500 Karlsruhe | Asymmetrische interferometer mit josephson-kontakten gleicher magnetischer laenge |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA1044768A (en) | 1978-12-19 |
AU512128B2 (en) | 1980-09-25 |
IL49644A (en) | 1977-12-30 |
IT1064303B (it) | 1985-02-18 |
FR2316749B1 (de) | 1978-11-17 |
IL49644A0 (en) | 1976-07-30 |
US3978351A (en) | 1976-08-31 |
GB1534785A (en) | 1978-12-06 |
CH600692A5 (de) | 1978-06-30 |
AU4591679A (en) | 1979-08-09 |
DE2623605A1 (de) | 1977-01-13 |
AU1526076A (en) | 1978-01-26 |
SE404854B (sv) | 1978-10-30 |
FR2316749A1 (fr) | 1977-01-28 |
JPS5732915B2 (de) | 1982-07-14 |
SE7606782L (sv) | 1976-12-31 |
NL7607136A (nl) | 1977-01-03 |
AU499843B2 (en) | 1979-05-03 |
BE841361A (fr) | 1976-08-16 |
JPS525296A (en) | 1977-01-14 |
DE2623605C3 (de) | 1978-09-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2623605C3 (de) | Mehrfach-Josephsonkontakt-Interferometer | |
DE2810649C3 (de) | Josephson-Interferometer | |
DE2064522A1 (de) | Vorrichtung mit quantenmechanisch tunnelnden Bauelementen, insbesondere mit supraleitenden Josephson Bauelemen ten | |
DE1027800B (de) | Verfahren zur Herstellung eines Transistors mit einem Halbleiterkoerper aus zwei Schichten | |
DE2621335A1 (de) | Monolithisch integrierter kapazitaets-kettenleiter fuer analog/digital- oder digital/analog-umsetzer | |
DE1028617B (de) | Bistabile Kippschaltung mit wenigstens einem Transistor | |
DE2455501B2 (de) | Logische Speicher- und Verknüpfungsschaltung mit Josephson-Elementen | |
DE2346746C3 (de) | Logische Verknüpfungsglieder mit Josephson-Kontakten | |
DE2909222C3 (de) | Josephson-Schaltung zur Polaritätsumschaltung und Verfahren zu deren Betrieb | |
DE2807918C3 (de) | Josephson-Interferometer | |
DE1514431B2 (de) | Halbleiteranordnung mit pn-Übergang zur Verwendung als spannungsabhängige Kapazität | |
DE1132967B (de) | Kryotronschaltung | |
DE2704840A1 (de) | Elektronisch veraenderbarer logischer schaltkreis mit josephson-elementen | |
DE2611159C2 (de) | Josephson-Schaltung | |
DE2651603C3 (de) | Logischer Schaltkreis mit räumlich verteilten Josephsonkontakten | |
DE1201871B (de) | Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl kryogener Schaltstufen | |
DE1814213B2 (de) | J-K-Master-Slave-Flipflop | |
DE2434997C3 (de) | Josephson-Kontakt-Speicher | |
DE2223245B2 (de) | Informationsspeicher | |
DE2724942C2 (de) | Dünnschichtkryotron und Verfahren zu dessen Herstellung | |
DE1120502B (de) | Schaltungsanordnung mit mehreren in einer Ebene angeordneten Supraleitern | |
DE1162405B (de) | Kryotrontorschaltung mit zwei Parallelkryotrons | |
DE1054148B (de) | Anordnung, in welcher der Leitfaehigkeitszustand eines Leiters umsteuerbar ist | |
DE2831117C3 (de) | Oszillatorschaltung | |
DE2410089C3 (de) | Supraleitende logische Schaltung |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |