DE2848579C2 - Schichtkryotron - Google Patents

Description

Anspruchs 2 bei einem Kryotron mit mehreren Eingängen einen höheren .Stromverstärkungskoeffizienten durch Steigerung des kritischen Stroms des Josephson-Kontaktes ohne Veränderung des Steuerstroms gestatten.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Kryotrons gewährleistet eine konvexe, nahezu rechteckige Form der Steuercharakteristik bei kompakten Abmessungen auch bei mehreren Steuerleitungen. Dies erweitert seine funktionalen Mögnchkeiien. Auch wird ein hoher Stromverstärkungskoeffizient bei Vorhandensein von mehreren Eingängen und ohne Steigerung des kritischen Stroms des Josephson-Kontaktes sowie ohne wesentliche Komplizierung der Konstruktion gewährleistet.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf ein Schichtkryotron. in dem die supraleitenden Elektroden zwischen der Abschirmschicht und der Steuerleitung liegen; Fig. 2 den Schnitt nach Linie IMI von Fig. I; Fig. 3 den Schnitt eines Kryotrons, in dem die Steuerleitung zwischen der Elektrode und der Abschirmschicht liegt;

Fig. 4 die Draufsicht auf ein Kryotron mit einer zusätzlichen Steuerleitung und zusätzlichen Öffnungen in der Abschimischicht;

Fig. 5 die Stromverteilung im Kryotron an der zur Abschirmschichl weisenden Oberfläche der Elektroden bei einer Schichtenlage gemäß Fig. 2;

Fig. 6 die Stromverteilung im Kryotron an der zur Abschirmschichl weisenden überdache der Elektroden bei einer Schichtenlage gemäß I- ig. 3;

Fig. 7 die Draufsicht auf ein Schichlkryotron mit zwei in Reihe geschalteten Sleuerleitungen;

Fig. 8 die perspektivische Darstellung des Kryotrons gemäß Fig. 7 bei Benutzung einer Brücke veränderlicher Dicke als Josephfon-Kontakl;

Fig. 9 die Draufsicht auf ein Kryotron mit drei in Reihe geschalteten Steuerleilungen und vergrößerter Länge des Josephson-Kontakis.

Die in Fig. I, 2 gezeigte einfachste Konfiguration eines erlindungsgemäßen Schichtkryotrons besteht aus einem Träger I, au! dem eine supraleitende Abschirmsehicht 2 aufgebracht ist, welche durch eine erste Isolierschicht 3 von einer ersten supraleitenden Elektrode 4 und einer zweiten 'supraleitenden Elektrode 5 isoliert ist, welche durch einen langgestreckten Josephson-Konlakt 6 verbunden sind, der eine Länge W und eine Breite / besitzt. Über der ersten Elektrode 4 ist eine von ihr durch eine zweite Isolierschicht 7 isolierte Sleuerleitung 8 angebracht. In Fig. I sind Isolierschichten 3 unü 7 nicht abgebildet.

Zum Anschluß des äußeren Stromkreises sind die Elektroden 4 und 5 mit Zuführungsleitungen 9 bzw. 10 versehen.

In der Abschimischicht 2 sind Öffnungen Il und 12 ausgeführt, deren zum Josephson-Kontakt ο hin liegender Ränder 13 die Grenze eines ersten abgeschirmten Abschnittes 14 der ersten Elektrode 4 erzeugen. Der Abschnitt 14 besitzt die Form eines Streifens, der am Kontakt 6 anliegt und längs desselben gestreckt ist. An den mittleren Teil des ersten abgeschirmten Abschnittes 14 ist über einen /weiten abgeschirmten Abschnitt 15, der in der ersten Elektrode 4 oberhalb des Bereichs zwischen den Öffnungen 11 und 12 verlauft, die Zuführungsleitung 9 so angeschlossen, daß der abgeschirmte Weg für den Transportstrom I_x, von der Zulührungsleitunc 9 bis zum Kontakt 6 über die erste Elektrode 4 nur durch den zweiten abgeschirmten Abschnitt 15 verläuft. Um zusätzliche abgeschirmte Wege von der Zuführungsleitung 9 zu den Enden des ersten abgeschirmten Abschnitts 14 zu vermeiden, reichen die Öffnungen 11 und 12 teilweise Ober die Grenzen der ersten Elektrode 4 hinaus. Die Kreuzungsstellen 16 und 17 der Ränder der ersten Elektrode 4 mit der Steuerleitung 8 bilden eine Begrenzung eines dritten abgeschirnuen Abschnitts aus zwei Teilen 18 und 19, die mit den Enden des ersten abgeschirmten Abschnitts 14 verbunden sind.

Zur Gewährleistung der günstigsten, nämlich einer nahezu rechteckigen Form der Steuercharakterislik ist die Verbindungsstelle des zweiten abgeschirmten Abschnittes 15 mit dem streifenförmigen ersten abgeschirmten Abschnitt 14 von dessen Enden um einen Abstand entfernt, der größer als /., und Ii ist. Hierbei bedeutet:

/I/ - Josephson-Eindringtiefe und 2(, A - Breite des ersten abgeschirmten Abschnitts 14.

Zur Erzielung des größten Verstärkungskoeffizienten bei festliegenden Abmessungen H' und h soll die Breite IV₁ des zweiten abgeschirmten Abschnittes 15, d. h. der Abstand zwischen den Öffnungen 11 und 12 an der

-⁵ Anschlußstelle an den ersten abgeschirmten Abschnitt 14, den Wert h nicht übersteigen.

Der langgestreckte Josephson-Kontakt 6 ist irgendein bekannter Kontakt dieser Art, beispielsweise ein Tunnelkontakt (wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist) oder ein

M Kontakt auf der Basis einer Brücke veränderlicher Dicke. Im letzteren Fall übergreifen sich die Elektroden 5 und 4 in der Kontaktzone 6 nicht, sondern sind durch einen Steg aus Metall oder Halbleiter verbunden, der dünne, als die Elektrodenschicht ist. In jedem Falle beträgt die

■*⁵ Länge W des Kontaktes 6 ein Vielfaches von A, (beispielsweise W s* 10 Aj), und die Breite / des Kontakts ist gleich oder kleiner als A,. Die Sleuerleilung 8 kann konstruktiv aus derselben Schicht wie die Elektrode 5 (Fig. 2) oder aber aus einer einzelnen Schicht (Fig. 3) ausgeführt sein.

Fig. 3 zeigt im Schnitt ein Kryotron mit anderer gegenseitiger Lage.der supraleitenden Schichten. In der Draufsicht ist die Konfiguration der Schichten entsprechend der Fig. I. Unmittelbar auf dem Träger 1 sind Elektroden 4 und 5 angeordnet, die durch den Josephson-Konlakt 6 verbunden sind. Danach sind der Reihe nach aufgebracht die erste Isolierschicht 3, die Steuerleitung 8, die zweite Isolierschicht 7 und die Abschirmschicht 2. Bei dieser Anordnung der Isolierschichten 3, 7 ist die Steuerleitung 8 nicht oben, sondern zwischen der ersten Elektrode 4 und der Abschirmschichl 2 ausgeführt.

Auch bei dieser Ausführung des Kryotrons können übliche Josephson-Kontakte verwendet werden, außerdem ist die Anwendung von solchen Kontakten möglich, bei denen Vorzugs- oder notwendigerweise die Elektroden 4 und 5 unmittelbar auf den Träger 1 aufgebracht werden. Beispielsweise kann bei einem Träger 1 aus oberflächenlegiertem monokristallinem Silizium das Material desselben Trägers als Steg des brückenartigen Josephson-Kontaktes verwendet werden. Bei dieser Schlchtenanordnunt wird eine maximale Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Josephson-Kontakt und dem monokristallinen Träger erreicht, was zur Verkürzung seiner Schaltzeiten beiträgt.

Es ist jede beliebige Reihenfolge der Lage der drei supraleitenden Schichten, also des Abschirmmantels 2, der Elektroden 4 und 5 sowie der Steuerleitung 8 möglich. So

können auch die Elektroden 4 und 5 unmittelbar auf dem Träger I, darüber die Abschirmschicht 2 und darüber die Steuerleitung 8 angeordnet sein. Ein solcher Aufbau ist herstellungsmäßig mit der Anordnung gemäß Fig. 3 vereinbar. Daher können diese beiden Konstruktionen in einer integrierten Schaltung verwendet werden, wobei sie einander gegenseitig komplementieren, was den Aufbau der Schaltung vereinfacht.

K ig. 4 zeigt die Draufsicht eines komplizierten Kryogen 29, 30 der Abschirmschicht sind in der ersten Elektrode 4 zwei Öffnungen 31 und 32 ausgeführt, die die entsprechenden Stege 29, 30 überdecken. Über der ersten Elektrode 4 verlaufen zwei Steuerleitungen 8 und 20, die durch einen supraleitenden Verbindungsstreifen 33 verbunden sind, der zwischen den Steuerleitungen 8 und 20 über den Öffnungen 31 und 32 In der ersten Elektrode 4 verläuft. Ebenso wie in Fig. 5 ist in Flg. 7 die Verteilung der Ströme im Kryotron durch volle und gestri-

trons mit mehreren Eingängen. Es besitzt zusätzliche io chelte Linien angedeutet.

Steuerleitungen 20 und 21 sowie zusätzliche Öffnungen Außer der In Flg. 7, 8 dargestellten Konstruktion ist

22, 23, 24 und 25 in der Abschirmschicht 2. Die Steuerleitungen 8 und 2(1 liegen über der ersten Elektrode 4; die

auch eine andere Lage der Schichten möglich, beispielsweise in der Reihenfolge Träger, Elektroden, Isolation, Steuerleitungen, Abschirmschicht. Dabei bleibt die Form Unter der ersten Elektrode 4 sind drei Öffnungen 11, 12, 15 der einzelnen Elemente des Kryotrons in der Draufsicht 22 so ausgeführt, daß die Zuführungsleitung 9 über zwei dieselbe und entspricht der Fig. 7. Die Größen der Öffnungen 11, 12, 31 und 32, der Stege 29 und 30 sowie die Dicke der Isolierschichten wird so gewählt, daß die Induktivität der abgeschirmten Abschnitte 14, 18, 19 der

über der .'weiten Elektrode 5.

abgeschirmte Wege mil dem mittleren Teil des streifenlörmigen ersten abgeschirmten Abschnitts 14 verbunden

Ähnliche Öffnungen 23. 24, 25 sind unter der zweiten 20 Elektrode 4 um ein Mehrfaches, z. B. um das 5- bis Elektrode 5 ausgeführt. Diese Öffnungen 23, 24, 25 bil- lOfache kleiner ist als die Induktivität der an sie angrenden die Grenze eines abgeschirmten Abschnittes 26 der
zweiten Elektrode 5. der genauso wie der erste abge

schirmte Abschnitt 14 der ersten Elektrode 4 die Form

zenden nicht abgeschirmten Abschnitte. Fig. 9 zeigt ein Kryotron in allgemeinerer Ausführung

mit drei in Reihe geschaltete Sleuerleitungen 8, 20, 34 eines Streifens besitzt, der sich längs des Kontaktes 6 25 und dementsprechend zwei Verbindungsstreifen 33 und erstreckt. Genauso wie der dritte abgeschirmte Abschnitt 35, die zwischen ihnen verlaufen. In dieser Ausführung (Teile 18. 19) in der ersten Elektrode 4, verbinden bei der
zweiten Elektrode 5 abgeschirmte Abschnitte 27 und 28
die Stellen, wo die Steuerleitung 21 die Ränder der zweiten Elektrode 5 kreuzt, mit den Enden des streifenförmi- 30 schirmte Abschnitte 15, die die Zuführungsleitung mit gen abgeschirmten Abschnitts 26. der Mitte des abgeschirmten streifenlörmigen Abschnitts

des Kryotrons ist ein Josephson-Kontakt 6 mit größerer Länge verwendet, dementsprechend ist die erste Elektrode 4 verbreitert und sie hat zwei parallele abge-

Das Kryotron kann auch eine andere Anzahl von Öffnungen in der Abschimischicht und von Steuerleitungen über den Elektroden besitzen. Die zusätzlichen Steuerlei-

14 der ersten Elektrode 4 verbinden, der sich längs des Kontaktes 6 erstreckt. Hierzu ist in der Abschirmschicht 2 zwischen den Öffnungen II und 12 eine zusätzliche

tungen erweitern die logischen Funktionen des Kryo- ³⁵ Öffnung 22 mit zwei Stegen 36, und in der ersten Elektrons, und die zusätzlichen Öffnungen unter dem mittle- trode 4 sind diesen Stegen 36 zugeordnete Öffnungen 37 ren Teil der Elektroden (beispielsweise 22 und 24 in
Hg. 4) gewährleisten wegen der Steigerung des kritischen Stromes im Kontakt einen höheren Stromverstärkunyskoetfizienien.

I- ig. 5 bzw. 6 zeigen am Beispiel eines Kryotrons mit
zwei Öffnungen in der Abschirmschicht und einer Steuerleitung die \erieilung der Ströme, die auf den zur
Ahschirrtischichi weisenden Oberflächen der Elektroden
und durch den Josephson-Kontakt fließen, und zwar für ⁴⁵ dermaßen: die Schichtenanordnungen gemäß Fig. 2 bzw. 3. Fließt kein Strom /,. in der Steuerleitung 8, so kann

ausgeführt. Bei diesem Kryotron gemäß Fig. 9 ist im Vergleich zu dem gemäß Fig. 7 der kritische Strom des Josephson-Kontakts etwa doppelt so groß und der Steuerstrom um das l,5fache kleiner, ü. h. der Sromverstärkungskoeffizient des Schichtkryottons nach Fig. 9 ist ungefähr dreimal größer als beim Schichtkryotron nach Fig. 7.
Das Kryotron gemäß Fig. 1, 2, 5 funktioniert folgen-

;t..r,„ SO \r„„_tni,

Die vollen Linien zeigen die Verteilung des Transport-Stromes /_. aus dem äußeren nicht abgebildeten Kreis, und zwar von der Zuführungsleitung 9 zur Zuführungsleitung ϊΐϊ Die üCsirii-hcItCn Linien 7~jder Strome, üie auf üen zur Abschirmschicht weisenden Oberflächen eier hlektroden 4. 5 durch den durch die Steuerleitung 8 fließenden Strom I₁ induziert sind. Der Strom /, in der Steuerleitung 8 ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Fig. 7 und 8 zeigen ein Kryotron mit zwei in Reihe
geschalteten Steuerleitungen 8 und 20. Auch dieses hat
einen Träger 1. eine Abschirmschicht 2 mit Öffnungen
11 und 12 und einen Josephson-Kontakt 6. Der letztere
kann, wie auch bei den anderen Ausbildungen, ein ⁵⁰ reichs bedeutet: schichtartiger Tunnelkontakt, wie in Fig. 7 dargestellt,
oder aber eine Brücke veränderlicher Dicke wie in Fig. 8
sein. Im Fall der Brücke veränderlicher Dicke liegen die
supraleitenden Elektroden 4 und 5 in einer Ebene und

durch den Josephson-Kontakt 6 ohne Auftreten einer Spannung ein Supraleitungs-Transportstrom I₁, fließen, der den Wert des kritischen Stroms /„, des Josephson-Konlakts nicht übersteigt. Der durch die Zuführungsleitung 9 fließende Strom I₁. fließt dann auf der zur Abschirmschicht weisenden Oberfläche der Elektrode 4 von der Zuführungsleitung 9 über den zweiten abgeschirmten Abschnitt 15 zum ersten abgeschirmten Abschnitt 14. Hier zerfließt der Transportstrom über den Abschnitt 14 und fließt durch den Josephson-Kontakt 6 auf einer Breite, die die Breite des zweiten abgeschirmten Abschnittes 15 ungefähr um 2 bis 4 X_m übersteigt, wobei das charakteristische Maß des Stromzerfließungsbe-

/.„, = max (/.,, h)

Zur Gewährleistung einer maximal konvexen Form der Steuercharakteristik muß die Eintrittszone des Transportsind durch einen dünneren metallischen Steg verbunden. ⁶⁵ stromes in den streifenförmigen ersten abgeschirmten In den Öffnungen II und 12 der Abschirmschicht 2 Abschnitt 14 von den Enden des Kontaktes 6 um einen sind supraleitende Stege 29 und 30 ausgeführt, die jede Abstand entfernt sein, der größer als /.„, ist, wodurch der dieser Öffnungen in zwei unterteilen, und über den Ste- Transportstrom Im mittleren Teil des Kontaktes 6 fließt

und nicht in dessen Enden gelangt.

I-Hellt in der Steuerleitung 8 ein Strom /,, so entstehen in der über dieser Steuerleitung befindlichen ersten Elektrode 4. im Josephson-Konlakt 6 und in der zweiten Elektrode 5 auf der zur Abschirmschicht weisenden Oberflüche induzierte Ströme, wie es in Flg. 5 die gestrichelten Linien mit Pfeilen zeigen. Ein ähnliches Bild der Verteilung der Ströme /„ und /, ergibt sich bei jeder beliebig anderen Zahl von Öffnungen und Steuerleitungen; unterschiedlich ist dann nur der Anteil des Stromes /„, der durch den abgeschirmten Abschnitt der Elektrode 4 zwischen den benachbarten Öffnungen fließt

Die Stromverteilung in den Elektroden in der Nahe des Josephson-Kontakles 6 ist von der Reihenfolge der Schichten praktisch nicht abhängig, was der Vergleich von Fig. 5 mit Fig. 6 zeigt. Unterschiedlich ist dagegen die Verteilung der in den Elektroden induzierten Ströme unter der Steuerleitung 8. Wie Fig. 5 zeigt, werden bei der Anordnung gemäß Fig. 2 die Ströme unter der Steuerleitung 8 auf der nicht zur Abschirmschicht 2 weisenden Oberfläche der Elektroden 4, 5 geschlossen, während bei der Anordnung gemäß Fig. 3, wie aus Fig. 6 ersichtlich, die Ströme gleichfalls unter der Steuerleitung 8, aber auf der zur Abscnimischicht 2 weisenden Oberfläche der Elektroden 4, S sich schließen.

Der induzierte Strom, der in etwa /,. gleich ist, fließt von den Stellen, wo die Steuerleitung die Ränder der Elektrode 4 kreuzt, über die abgeschirmten Abschnitte 18, 14, 19 dieser Elektrode und teilweise in die zweite Elektrode 5 über Abschnitte des Josephson-Kontaktes 6, deren lineare Abmessungen etwa /.„, betragen und die in der Nähe der Enden des streifenförmigen ersten abgeschirmten Abschnitts 14 liegen. Der Anteil des in die Elektrode 5 überfließenden Stroms ist um so größer, je höher die Induktivität des ersten Abschnitts 14 ist, d. h., je schmaler dieser ist.

Solange der im Kontakt 6 induzierte Strom einen kritischen Wert nicht erreicht hat. ist er in der Nähe der Enden des Kontaktes 6 lokalisiert und beeinflußt kaum den kritischen Strom f_m, da der Transportstrom I_H im mittleren Teil des Kontaktes 6 fließt. Sobald die Stromgröße in der Nähe der Enden des Kontaktes 6 den kritischen Wert 2 X_m -j_c erreicht hat (J_c ist die auf die Länge bezogene kritische Stromdichte im Kontakt 6), beginnt das Vorrücken von gequantelten Stromwirbeln in den mittleren Teil des Kontaktes 6 von dessen Enden weg, was sofort die Verringerung des kritischen Stroms l_m bewirkt. Dies ergibt die konvexe Form der Steuercharakteristik I_n, = f(lj.

Die abgeschirmten Abschnitte 18 und !9 in der Nähe der Enden des Kontaktes 6 erzeugen eine zusätzliche Potentialbarriere zum Eintritt der Stromwirbel in den Kontakt und tragen dadurch dazu bei, die Steuercharakteristik der rechteckigen Form weiter anzunähern. Um den Störeinfluß des zweiten abgeschirmten Abschnittes 15 auf das Wandern der Stromwirbel zu vermindern, wird die Größe W_x (Fig. 1) kleiner als die Breite h des ersten abgeschirmten Abschnitts 14 gewählt.

Der Stromverstärkungskoeffizient G des betrachteten Kryotrons ist ungefähr gleich dem Verhältnis der Länge des Abschnittes des Kontaktes 6, durch welchen der Transportstrom fließt, zur Länge 2 A_n, jenes Abschnittes am Ende des Kontaktes 6, durch welchen der induzierte Strom fließt, solange er kleiner als der kritische Strom ist. Daher gilt für das Kryotron gemäß F i g. 1 mit zwei Öff- nungea G » 2.

Um einen höheren Stromverstärkungskoeffizienten G zu erzielen, muß die Länge des mittleren Abschnittes des Kontaktes, durch welchen der Transportstrom fließt, vergrößert werden. Hierzu werden gemäß Fig. 4 in der Abschirmschicht zusätzliche Öffnungen ausgeführt. In diesem Kryotron verteilt sich der in der Zuführungsleitung 9 ankommende Strom auf Zweige, nämlich auf die abgeschirmten Abschnitte 15 der Elektrode 4, die oberhalb des Bereichs zwischen den Öffnungen 12, 22, 11 in der Abschirmschicht 2 gebildet sind, und fließt durch den Kontakt 6 in der Nähe jeder Verbindungsstelle dieser Abschnitte mit dem streifenförmigen ersten abgeschirmten Abschnitt 14. Der Stromverstärkungskoeffizient nimmt zu, und zwar wie In dem in der DE-OS 27 31 400 vorgeschlagenen Kryotron proportional der Anzahl dieser Zweige.

Wenn im Kryotron mehrere Steuerleitungen, beispielsweise 8, 20 und 21 gemäß Fig. 4 vorhanden sind, so ändert dies nicht das Bild der Stromverteilung in den Elektroden des Kryotrons. Die Ströme, die durch Ströme induziert sind, welche durch die Steuerleitungen 8 und 20 fließen, werden am Kontakt addiert, und der Strom, der durch den Strom induziert ist, welcher durch die Steuerleitung 21 fließt, wird von diesen subtrahiert. In dieser Weise hat das Kryotron die Funktionen eines logischen Elementes mit mehreren Eingängen.

Das Kryotron gemäß Flg. 7, 8, 9 funktioniert wie folgt: Fließt in den Steuerleitungen 8, 20, 34 kein Steuerstrom /,, so kann durch den Kontakt 6 des Kryotrons ohne Auftreten einer Spannung der Transporistrom /_c fließen, der den Wert des kritischen Stromes /,„ nicht übersteigt. Der Transportstrom /_v, der durch die Elektrode 4 in Richtung des Kontaktes 6 fließt, verläuft über die zur Abschirmschicht 2 weisende Oberfläche der Elektrode 4 durch den zweiten abgeschirmten Abschnitt ί
der Elektrode 4, der oberhalb des Bereichs zwischen den Öffnungen 11 und 12 von Fig. 7 und 8 bzw. zwischen den Öffnungen 11, 22 sowie 12 von Fig. 9 gebildet ist. In der Nähe des Kontaktes 6 zerfließt der Transportstrom /„ auf dem am Kontakt anliegenden streifenförmigen ersten abgeschirmten Abschnitt 14 und fließt durch den mittleren Teil des Kontaktes 6 wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Kryotron. Wie auch bei diesem muß das Eintrittgebiet des Transportstromes I_x in den Kontakt 6 von dessen Enden um einen Abstand entfernt sein, der größer als /.,„ ist.

Fließt ein Steuerstrom /, durch die in Reihe geschalteten Steuerleitungen 8 und 20, so entstehen in der über dieser liegenden Elektrode 4 und im Kontakt 6 auf der zur Abschirmschicht 2 weisenden Oberfläche induzierte Ströme, die durch gestrichelte Linien in Fig. 7 dargestellt sind. Diese Ströme fließen wie auch im Kryotron gemäß Fig. 1 zwischen den Kreuzungsstellen der gegenüberliegenden Ränder der Elektrode 4 mit den Steuerleitungen über die an diesen Rändern anliegenden abgeschirmten Abschnitte 18,19 der Elektrode und durch die Endabschnitte des Kontaktes 6. Von jeder Steuerleitung 8, 20 wird ein Strom der Größe von etwa /, induziert, so daß der-Gesamtstrom, der von η Steuerleitungen in den Enden des Kontaktes 6 induziert wird, ungefähr η I₁. beträgt.

Die Stege 29 und 30 in den Öffnungen 12, 11 der Abschirmschicht unter dem Verbindungsstreifen 33 haben die Wirkung, daß das magnetische Feld, das durch den über diesen Streifen fließenden Strom induziert wird, abgeschirmt und dadurch sein Einfluß auf den Kontakt 6 beseitigt wird.

Die Öffnungen 31, 32 in der Elektrode 4 über den Stegen 29, 30 trennen den abgeschirmten Abschnitt 15 in der Mitte der Elektrode 4, durch welche der Transport-

strom fließt, von den abgeschirmten Abschnitten 18, 19 der Elektrode 4 an deren Rändern, durch welche der Strom fließt, der durch den Strom /,. in den Steuerleitungen induziert ist. Wenn diese Öffnungen 31, 32 nicht vorhanden wären, so wären an den Steilen, an welchen die Stege 29 und 30 ausgeführt sind, die abgeschirmten Abschnitte 18, 19 und 15 miteinander verbunden, und die Trennung des Transport- und des Steuerstroms in der Elektrode 4 wäre gestört. In dieser Welse ergänzen die Öffnungen 31, 32 in der Elektrode 4 die Öffnungen 11, 12 in der Abschirmschicht 2 und bilden zusammen mit ihnen die zum normalen Betrieb des Kryotrons erforderliche Konfiguration der abgeschirmten Abschnitte 14, 15, 18, 19 der Elektrode 4.

Mit zunehmendem Steuerstrom bleibt, solange der von ihm in den Enden des Kontaktes 6 induzierte Strom seinen kritischen Wert nicht erreicht hat, der kritische Gesamtstrom im Kontakt für den über den mittleren Teil des Kontaktes fließende Transporistrom last ohne Veränderungen. Sobald der Strom in den Enden des Kontaktes 6 seinen kritischen Wert erreicht, beginnt die Wanderung der gequanlelten Stromwirbel von den Enden des Kontaktes in dessen mittleren Teil, was sofort zur Verringerung des kritischen Stroms führt. Dadurch geschieht bei fixiertem Transportstrom das Umschalten des Schichtkryotrons aus dem supraleitenden in den resistiven Zustand bei Gewährleistung einer konvexen Steuercharakteristik.

Gegenüber dem in der DE-OS 27 31 400 vorgeschlagenen Kryotron, das gleichfalls einen hohen Verstärkungskoeffizienten und eine konvexe Form der Steuercharakteristik besitzt, sind erstens beim vorliegenden Kryotron die Abmessungen verringert und es ist zweitens die Benutzung von unmittelbar auf einen Träger aufgebrachten Josephson-Kontakten möglich. Der erstere von diesen Vorzügen wird dadurch gewährleistet, daß die Breite Λ des strelfenförmigen ersten abgeschirmten Abschnitts 14 ziemlich gering (praktisch bis zu 2 bis 3 um) sein kann, weil diese Größe nur durch die Genauigkeit der Deckung der Offnungsgestalt in der Abschirmschicht mit dem Kontakt 6 bestimmt wird.

Der zweite der erwähnten Vorteile ergibt sich daraus, daß die Öffnungen in der Abschirmschicht die erforderliche Verteilung des Im Kontakt 6 induzierten Stromes auch dann gewährleisten, wenn die Abschirmschicht nicht, wie in den meisten Hallen, auf einem Träger unter dem Kontakt 6 angeordnet Ist, sondern wenn sie beispielsweise oberhalb der Struktur «Kontakt-Steuerleitung« angebracht ist. Dieser Vorteil gestattet es, verschiedene Ausführungen von Josephson-Kontakten zu verwenden und insbesondere sehr wirkungsvolle brückenartige Kontakte auf der Basis der Strukturen Supraleiter-Halbleiter-Supraleiter mit einem Steg aus einem entsprechend legierten Abschnitt des Halbleiterträgers zu verwenden. Die beste Wirkung wird erzielt mit Kontakten mit hoher Dichte des kritischen Stroms ( > \0^A A/cm²), beispielsweise Brückenkontakten veränderlicher Dicke.

Im Kryotron gemäß Fig. 7, 8, 9 werden ferner die . Ströme summiert, die in der Elektrode 4 und im Kontakt 6 von den einzelnen in Reihe geschalteten Steuerleitungen induziert werden, wodurch zum Umschalten des Kryotrons ein kleinerer Steuerstrom genügt. Hierbei ist es nicht erforderlich, Kreuzungen der Verbindungsstreifen in verschiedenen Ebenen auszuführen, was die Konstruktion vereinfacht und sie kompakt macht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schlchtkryotron

- mit einer supraleitenden Abschirmschicht,

- mit einer ersten und einer zweiten supraleitenden Elektrode, die auf der Abschirmschichl isoliert von ilir angeordnet sind, die Zuführungsleitungen besitzen und die durch einen in Richtung zu den Zuführungsleitungen senkrecht angeordneten langgestreckten Josephson-Kontakt verbun den sind,

- mit mindestens einer Öffnung in der Abschirm schicht gegenüber der ersten Elektrode und

- mit mindestens einer supraleitenden Steuerlei- lung, die über der ersten Elektrode liegt,

- wobei Projektionen der supraleitenden Abschirmschichi auf die Elektroden dort abgeschirmte Abschnitte bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß in der supraleitenden Abschirmschicht (2) gegenüber der ersten Elektrode (4) wenigstens zwei Öffnungen (11, 12) in solcher Weise angeordnet sind, daß in der ersten Elektrode (4) ein erster abgeschirmter Abschnitt (14) in Form eines längs des Josephson-Kontakts gestreckten und an ihm anliegenden Streifens mit einer Breite (h) gebildet wird, daß ein zweiter abgeschirmter Abschnitt (15) gebildet wird, der die Zuführungsleitung (9) der ersten Elektrode mit dem mittleren Teil des ersten abgeschirmten Abschnitts (14) verbindet, und daß ein dritter abgeschirmter Abschnitt gebildet wird, der aus zwei Teilen (18, 19) besteht, die jeweils die Enden des ersten abgeschirmten Abschnitts (14) mit den Stellen, wo die Steuerleitung (8) den Rand der ersten Elektrode (4) kreuzt, verbinden, wobei der zweite (15) und dritte Abschnitt (18, 19) an den Anschlußstellen an den ersten Abschnitt eine parallel zum langgestreckten Josephson-Kontakt und senkrecht zur Breite (h) des ersten Abschnitts g&messene Breite besitzen, die die Breite (h) des ersten Abschnitts (14) nicht übersteigt.

2. Schichtkryolron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abschirmschicht (2) zwischen den ersten zwei Öffnungen (II. 12) mindestens noch eine zusätzliche Öffnung (22) ausgeführt ist. wodurch der zweite abgeschirmte Abschnitt (15) mindestens in zwei parallele Zweige unterteilt wird.

3. Schichlkryotron nach einem der Ansprüche 1 oder 2, das mindestens zwei Sleuerleilungen (8, 20) über der ersten Elektrode (4) enthält, wobei mindestens eine dieser Steuerleitungen (8) über eine Zone der eisten Elektrode (4) verläuft, die gegenüber der Öffnung (11, 12) liegt, und das mindestens eine Öffnung in der ersten Elektrode (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer supraleitender Verbindungsstrcilen (33) vorhanden ist, der zwischen den Steuerleitungen (8, 20) verläuft und der Enden der Steuerleitungen (8. 20), die auf verschiedenen Selten der eisten Elektrode liegen, verbindet, wobei in den Öffnungen (II, 12) der Abschirmschicht an den Stellen, über denen der Verblnciungsstrelfen (33) liegt, supraleitende Stege (29. 3(1) ausgeführt sind, während die in der ersten Elektrode (4) vorhandenen Öffnungen (31, 32) gemäß der Zahl der Stege (29. 3(1), jede gegenüber dem jeweiligen Steg, ausgeführt sind und die Abmessungen haben, die zur t.lberdeckung der jeweiligen Stege ausreichend sind.

Die Erfindung betrifft ein Schichtkryotron, das auf dem Josephson-Effekt beruht und das in der Digitalrechentechnik als logisches Schaltelement verwendet wird. Schichtkryotrone mit einem Josephson-Kontakt nutzen das Prinzip der Steuerung des kritischen Stroms in einem langgestreckten Josephson-Kontakt durch Einwirkung eines magnetischen Feldes auf diesen. In Schichtkryotronen liegen übereinander und voneinander elektrisch isoliert eine supraleitende Abschirmschicht, zwei supraleitende Schichtelektroden mit Zuführungsleitungen, die durch einen langgestreckten Josephson-Kontakt (beispielsweise einen Tunnelkontakt) verbunden sind, sowie mindestens eine Steuerleitung, die über einer dieser Elektioden längs des Josephson-Kontaktes liegt. Die Erstreckung des Josephson-Kontakts ist bedeutend grö ßer als die Josephson-Eindringtiefe in den Kontakt, während die andere Abmessung geringer als diese Tiefe ist bzw. eine mit dieser vergleichbare Größe besitzt. Der Stromverstärkungskoeffizient derartiger Elemente ist bei manchen Ausführungen nicht größer als zwei, und die Stcuercharakteristik, d. h. die Abhängigkeit des kritischen Stroms des Josephson-Kontakts vom Steuerstrom durch die Steuerleilung, hat eine von der günstigsten rechteckigen Form stark abweichende Form.

Ein höherer Slromverstärkungskoeffizient bei relativ geringen Abmessungen wird erzielt mit einem auf dem Josephson-Effekt beruhenden Schichtkryotron, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gattungsmäßig vorausgesetzt wird. Eine solche Ausbildung ist aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin. Vol. 17. No. 11, April 1975, S. 3483 bekannt.

In diesem bekannten Kryotron ist gegenüber einer der Elektroden in der Abschirmschicht eine Öffnung ausgeführt, und diese Elektrode besitzt selbst gleichfalls eine Öffnung, die sich mit der Öffnung in der Abschirmschicht teilweise deckt, so daß die Elektrodenform einen geschlossenen Rahmen darstellt Die eine Seite der Elektrode berührt den Josephson-Kontakt, während die entgegengesetzte Seite über der Öffnung in der Abschirm-

⁴⁽¹ schicht liegt. Zwischen der Abschirmschicht und der Elektrode sind In der Zone über der Öffnung der Abschirmschichl mehrere parallele Steucrleitungen angeordnet. Wegen der Öffnung in der Abschirmschicht ist die induktive Kopplung der Sleuerleilungen mit dem

^4:"> Elcktrodenkreis ziemlich stark und ungefähr gleich für alle Steuerleitungen.

Im'Betrieb induziert ein über die Steuerleilungen fließender Strom in der Elektrode und im Josephson-Kontakt einen Strom, der zum Umschalten des letzteren in den resisliven Zustand führt. Dabei wird zwar ein erheblich über 2 liegender Stromverslärkungskoeffizienl erzielt, nicht jedoch eine konvexe, der rechteckigen nahen Form der Steuercharakteristik. Dies hängt damit zusammen, daß die Form der Elektroden keine räumIiehe Trennung des durch den Joscphson-Konlakt fließenden Transportstroms und des Stroms gewährleistet, der In diesem Kontakt vom magnetischen leid induziert wird, das wiederum durch den Strom in den Steuerleitungen erzeugt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schiehlkryoiron zu schaffen, das bei Auf'rcchtcrhaltung der geringen Abmessungen und eines hohen Stromversliirkungskoelfi/icnten eine konvexe .Sleiiercharakterisiik hat. die tier rechteckigen Form nahekonimi.

^h> Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I genannten Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unieransprilchen genannt, wobei die Merkmale ties