DE69112582T2 - Elektrische Schaltzelle und ihre Anwendung. - Google Patents

Description

Elektrische Schaltzelle und ihre Anwendungen
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltzelle und insbesondere auf eine derartige Zelle, die einen Übergang eines Materials zwischen einem supraleitenden und einem Widerstandszustand nutzt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf verschiedene Verwendungen einer derartigen Zelle.
• Es sind logische Systeme bekannt, die ausgehend von auf dem Josephson-Effekt beruhenden Schaltzellen konstruiert sind, wonach ein elektrischer Strom eine dünne isolierende Grenzschicht durchdringen kann, die zwei supraleitende Metalle trennt. Als Beispiel für eine derartige Zelle läßt sich der Nb-Al&sub2;Ox-Nb-Tunnelübergang anführen, der die Herstellung schneller logischer Gatter ermöglicht, die wenig Energie verbrauchen. Allerdings beschränken sich die derzeitigen Techniken zur Herstellung derartiger Gatter auf die Verwendung von Materialien, die einen supraleitenden Zu stand bei sehr niedrigen Temperaturen unterhalb von 20 K, üblicherweise 4 K, aufweisen, die sich zu akzeptablen Kosten, mit denen man industrielle Anwendungen derartiger Zellen ins Auge fassen kann, nicht erreichen lassen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltzelle zu verwirklichen, bei der es nicht erforderlich ist, Kühleinrichtungen zu verwenden, deren hoher Preis ihre Verwendung untersagt und somit jegliche industrielle Anwendung der Zelle ausschließt.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Zelle zu verwirklichen, die insbesondere als logisches Gatter oder als Element eines "neuronalen" Netzwerkes verwendbar ist.
• Diese sowie weitere Aufgaben der Erfindung, die sich aus der nun folgenden Beschreibung ergeben, werden mittels einer elektrischen Schaltzelle gelöst, mit einem ersten Kanal aus einem Material, das einen supraleitenden und einen Widerstandszustand hat, einer Einrichtung zum Kühlen, um den ersten Kanal auf einer Temperatur unterhalb derjenigen zu halten, die die Supraleitfähigkeit des Materials unterhalb einer kritischen Stromstärke in dem Kanal sichert einer Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung des Kanals und einer Einrichtung zum Regeln der Intensität des in dem Kanal fließenden elektrischen Stroms, so daß der Kanal wahlweise in seinen supraleitenden oder seinen Widerstandszustand gebracht wird. Erfindungsgemäß weist die Zelle außerdem einen zweiten Kanal aus einem elektrisch leitfähigen Material auf, der parallel zu dem ersten Kanal geschaltet ist, so daß die Spannung an den Anschlüssen des zweiten Kanals im wesentlichen null ist, wenn der erste Kanal in seinem supraleitenden Zustand ist, und von null verschieden ist, wenn der erste Kanal in seinem Widerstandszustand ist.
• Somit ermöglicht eine Stromsteuerung, daß man die Zelle in den einen oder den anderen der beiden gut differenzierten Zustände bringt, die über eine wohl definierte Spannungsschwelle elektrisch getrennt sind. Man kann somit mittels einer einfachen Messung der Spannung, der Stromstärke oder des magnetischen Flusses den Zustand der Zelle und die Umschaltungen dieser Zelle von einem Zustand in einen anderen und umgekehrt erfassen. Eine derartige Zelle findet ihre Anwendung in logischen Systemen digitalen Rechnern, "neuronalen" Netzwerken, Analog/Digital-Wandlern, etc. ..., wie man weiter unten sieht.
• Gemäß einem wichtigen Merkmal der erfindungsgemäßen Zelle ist das zur Bildung des ersten Kanals verwendete Material ein Material, das bei einer relativ hohen Temperatur supraleitend ist, die man mit industriellen Kühlmitt eln, wie flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium erreichen kann. Wie man im folgenden sieht, sind derzeit Keramiken und Metallegierungen bekannt, die diese Eigenschaft haben.
• Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltzelle ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung, wobei-
• Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltzelle schematisch darstellt,
• Fig.2 eine Ausführungsform der Schaltzelle von Fig. 1 darstellt,
• Fig.3 ein Diagramm der Spannung/Strom-Kennlinien der Zellen von Fig. 1 und 2 darstellt,
• Fig.4 eine Ausführungsform der Zelle von Fig.2 schematisch darstellt, und
• Fig.4 und 5 verschiedene erfindungsgemäße Zellenzuordnungen schematisch darstellen.
• Es wird nun auf die Fig. 1 der beigefügten Zeichnung Bezug genommen, bei der die erfindungsgemäße Zelle durch einen ersten Kanal 1 aus einem Material mit einem supraleitenden Zustand schematisch dargestellt ist, das auf einem geeigneten allgemein isolierenden Substrat 7 abgelagert ist und von einen zweiten Kanal 2 aus einem leitfähigen Metall überdeckt ist, das keinen supraleitenden Zustand hat. Diese beiden Kanäle haben die Form dünner Filmbänder, die in der Figur im Längsschnitt dargestellt sind. Die beiden Kanäle sind somit zwischen den Abschnitten B und C parallel geschaltet, wobei elektrische Anschlußkontakte 3 und 4 in den Endbereichen [AB] und [CD] zur Stromversorgung der Zelle mittels nicht dargestellter Einrichtungen ausgebildet sind. Eine Einrichtung zum Messen des Potentials oder der Stromstärke zwischen den Abschnitten B, C ist zur Überwachung des Zustands der Zelle vorgesehen. Kühleinrichtungen (nicht dargestellt) gewährleisten, daß die Zelle auf einer Temperatur gehalten wird, die unterhalb der Übergangstemperatur des zur Bildung des ersten Kanals 1 verwendeten supraleitenden Materials liegt.
• Es wird nun auf das Diagramm der Fig.3 Bezug genommen, um die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Zelle zu erklären. In diesem Diagramm ist die Kennlinie der Spannung VBC in Abhängigkeit von dem Strom I in der Zelle in einer durchgezogenen Linie dargestellt. Die Stromstärke IC ist die kritische Stromstärke in dem Supraleiter, und zwar die Stromstärke, oberhalb der das supraleitende Material bei der mittels der Kühleinrichtungen erzeugten Temperatur seine Supraleitfähigkeit verliert und einen elektrischen Widerstandszustand annimmt.
• Solange die in der Zelle mit Hilfe der (nicht dargestellten) Regeleinrichtung der elektrischen Stromversorgungseinrichtung erzeugte Stromstärke unterhalb der kritsischen Stromstärke IC bleibt, tritt somit der gesamte Strom durch den supraleitenden Kanal 1 hindurch, und die Spannung VBC bleibt im wesentlichen null.
• Wenn man den Strom in der Zelle anwachsen läßt bis es dann die kritische Stromstärke IC erreicht, geht der Kanal 1 von seinem supraleitenden Zustand in einen Widerstandszustand über, und der in die Zelle eingespeiste Strom fließt dann zum Teil durch den leitenden Kanal 2, dessen Widerstand eine Potentialdifferenz zwischen B und C auftreten läßt. Diese Potentialdifferenz folgt dem Ohmschen Gesetz:
• VBC = R(I - IC)
• wobei R der Widerstand des leitenden Kanals 2 ist. Bei der kritschen Stromstärke IC wächst die Spannung mit dem Widerstand R des leitenden Kanals 2 als Steigung an.
• In einem nicht als einschränkend aufzufassenden Beispiel kann eine derartige Zelle aus einem supraleitenden Material, zum Beispiel YBaCuO-Keramik, bestehen, das einen Übergangsstrom IC von 5000 A/cm² bei 77 K hat (eine Temperatur, die mit Hilfe von mit flüssigem Stickstoff arbeitenden Kühleinrichtungen erzeugt wird), wobei die Übergangstemperatur des Materials 95 K ist. Es könnten auch andere supraleitende Materialien verwendet werden, wie NbTi-Metallegierungen, jedoch bei einer sehr viel niedrigeren Temperatur (zum Beispiel 4K).
• Der Kanal 1 hat die Form eines 0,2 um dicken Niederschlages eines keramischen Supraleiters, der sich auf 10 um Breite und 100 um Länge erstreckt wobei der kritische Strom IC dann 100 uA ist.
• Der Kanal 2 kann aus einer 0,02 um dicken Metallschicht zum Beispiel aus Kupfer oder Silber gebildet sein, mit einer Länge von 100 um und einer Breite von 10 um, der gegebenenfalls auf der supraleitenden Schicht niedergeschlagen ist. Der Widerstand des Kanals zwischen B und C liegt schätzungsweise bei 1 Ohm. Die Summe der Widerstände der Teile 3 und 4 kann etwa den gleichen Wert haben. Wenn die Stromstärke größer als IC ist, fließt durch den Abschnitt BC ein Strom bei einer Potentialdifferenz Vnc von etwa 100 uV hindurch. Die in der Zelle zwischen A und B dissipierte Leistung beträgt etwa 10&supmin;&sup8; Watt, was vernachlässigbar ist. In der weiter oben aufgestellten Hypothese bei der eine erfindungsgemäße Zelle in einem neuronalen Netz mit beispielsweise 10&sup6; Zellen verwendet würde, läge der Leistungsverbrauch bei einigen 10 mW für das gesamte Netzwerk, was ebenfalls vernachlässigbar ist.
• In Fig.2 der Zeichnung ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle dargestellt, die speziell zur Verwendung in einem derartigen neuronalen Netzwerk ausgelegt ist. In dieser wie in allen anderen Figuren bezeichnen die Bezugsziffern 1, 2, 3 und 4 Elemente, die mit den in Fig. 1 genauso bezeichneten identisch oder ihnen ähnlich sind. Eine Einrichtung 6 ist vorgesehen, um in der Zelle einen Strom Id elektromagnetisch zu induzieren, der dem Strom Ib überlagert wird, der mit Hilfe der Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung der Zelle gegebenenfalls über weitere Zellen gleicher Bauart zugeführt wird. Eine in ein Netzwerk aus derartigen Zellen gebrachte Zelle erhält nur selten unmittelbar von einer äußeren Stromversorgung Strom. Sie erhält den Strom meistens von anderen Zellen, und der aufgenommene Strom hängt somit von deren Zustand ab.
• Der Übergang der Zelle findet statt, wenn die Gesamtstromstärke It in der Zelle größer als Ic ist, daß heißt für eine zu dem Netz gehörende Stromstärke ¹b, derart, daß
• Ib = Ic = Id
• In Fig.3 wurde die Verschiebung der Umschaltschwelle der Zelle aufgrund dieser Einleitung eines Stromes Id gestrichelt dargestellt. Wie in Fig.2 dargestellt, läßt sich diese Einspeisung von Strom mittels elektromagnetischer Induktion ausgehend von mindestens einem Leiter 6 senkrecht zur Ebene der Figur erzielen, in welchem ein Strom Ia fließt, wobei sich dieser Leiter unmittelbar neben der Zelle befindet.
• Die Modulation der Position der Umschaltschwelle unter der Einwirkung eines Stromes wie Ia macht die Verwendung der erfindungsgemäßen Zelle in einem "neuronalen" Netzwerk besonders interessant.
• Es ist bekannt, daß ein derartiges Netzwerk aus teilweise oder vollständig miteinander verbundenen Zellen besteht, wobei der Zustand jeder Zelle von den Zuständen der Zellen abhängt, mit denen sie auf der Seite ihrer Eingänge verbunden ist, wobei der Einfluß jeder dieser Zellen darüber hinaus durch einen als synaptische Gewichtung bezeichneten Koeffizienten gekennzeichent ist, den man auf das von einer aussendenden Zelle empfangene Signal anwendet.
• Der in der erfindungsgemäßen Zelle über den in dem Leiter 6 fließenden Strom Ia induzierte Strom Id schafft diesen von einer auf eine andere Zelle ausgeübten Einfluß.
• Es ist auch bekannt, daß man neuronale Netzwerke einem "Lernprozeß" unterwefen muß, während dessen man an ihrem Eingang unterschiedliche Ausdrücke, zum Beispiel klanglicher oder optischer Natur, ein und derselben Einheit darbietet, wobei sich die synaptischen Gewichtungen dann zunehmend dahingehend anpassen, daß der Ausgang des Netzwerks eine eindeutige Identifikation dieser Einheit anzeigt, und zwar unabhängig von dessen am Eingang des Netzwerks dargebotenen speziellen Ausdruck. Somit kann ein neuronales Netzwerk dazu gebracht werden, einen Buchstaben oder eine Ziffer unabhängig von ihrem handgeschriebenen Ausdruck zu erkennen, der von Person zu Person unterschiedlich ist.
• Derzeit führt man diesen Lernprozeß vorwiegend mit Hilfe eines "Hilfsrechners" durch, der das Netzwerk simuliert und die notwendigen Einstellungen der synaptischen Gewichtungen selbst durchführt. Diese "digitale" Technik erlaubt eine Feineinstellung dieser Gewichtungen, hat jedoch den großen Nachteil, daß sie sehr viel Rechenzeit verbraucht und somit sowohl langsam als auch kostspielig ist.
• Die erfindungsgemäße Zelle ermöglicht hingegen eine direkte "analoge" Einstellung eines Netzwerkes derartiger Zellen, wie im Falle der Hopfleld-Netzwerke, wodurch man eine sehr viel schnellere und kostengünstigere Einstellung erzielt. Ein Netzwerk aus erfindungsgemäßen Zellen weist hingegen den Vorteil auf, daß es eine sehr viel einfachere Struktur als ein Hopfield-Netzwerk hat, das eine sehr große Anzahl von Halbleiter-Bauteilen aufweist.
• In Fig.4 wurde eine Ausführungsform der Zelle von Fig.2 dargestellt, die sich von letzterer dadurch unterscheidet, daß man die induktive Einspeisung des Stroms Id durch eine direkte Einspeisung eines Stromes Id1 ersetzt. Wie dargestellt, ist eine mehrfache Einspeisung möglich; Id1, Id2, sowie unidirektional, wie durch die Dioden D&sub1; und D&sub2; veranschaulicht. Eine derartige Zelle mit mehrfacher Einleitung kann zum Beispiel als logisches UND- oder ODER-Gatter verwendet werden. Selbstverständlich könnte man eine unidirektionale Leitung auch in der Zelle selbst erzeugen.
• Wie weiter oben gezeigt wurde, können mehrere erfindungsgemäße Zellen derart verbunden werden, daß sie ein neuronales Netzwerk bilden. In Fig.5 und 6 wurden andere Möglichkeiten der Schaltung solcher Zellen dargestellt, jedoch nur als nicht einschränkend aufzufassendes Beispiel. Die dargestellten Schaltungen haben interessante Eigenschaften. So sind die Zellen (1', 2') und (1", 2") der Fig.5 über eine supraleitende Schicht 1"' miteinander verbunden, welche die beiden Zellen miteinander verbindet, wenn sie in ihrem supraleitenden Zustand ist, und welche die beiden Zellen voneinander trennt, wenn sie in ihren Widerstandszustand übergeht.
• In Fig.6 wurden vier erfindungsgemäße Zellen dargestellt, die so zusammengebaut sind, daß zwei in Serie geschaltete Zellen 7, 8 mit jeder zweier weiterer Zellen 9, 10 parallel geschaltet sind. Die Pfeile weisen auf das Vorhandensein einer Diode hin, welche die Stromrichtung in jeder Zelle festlegt. Somit kann die Zelle 7 die Zelle 8 versorgen, die ihrerseits die Zellen 9 und 10 versorgen kann. Hingegen können die Zellen 7 und 10 die Zelle 9 nicht unmittelbar versorgen, und die Zelle 8 kann die Zelle 7 nicht versorgen.
• Selbstverständlich kann sich der Durchschnittsfachmann zahlreiche andere Zellenanordnungen in Abhängigkeit von dieser oder jener angestrebten Anwendung ausdenken.
• Die bis hier beschriebene erfindungsgemäße Zelle arbeitet in gewisser Hinsicht mit binärer Logik, wobei der Strom jeweils vollständig oder teilweise in dem supraleitenden Kanal fließt. Ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zelle mit nicht nur einer Umschaltschwelle, sondern mehreren gestuften Schwellen weist hierfür in dem supraleitenden Teil mehrere aufeinanderfolgende Teile mit zunehmenden Dicken auf. Mit zunehmender Stromstärke treten an den supraleitenden Teilen aufeinanderfolgende Übergänge auf. Es leuchtet ein, daß eine derartige Anordnung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Zelle als Analog/Digital-Wandler ermöglicht, insbesondere, weil die Stromstärke über eine Spannung erzeugt wird.
• Es leuchtet somit ein, daß die erfindungsgemäße Schaltzelle die Lösung der angeführten Aufgaben ermöglicht, nämlich einen Schaltbetrieb bei industriell zur Verfügung stehenden Temperaturen sowie eine einfache Struktur, die sich zur Herstellung logischer Gatter, Analog/Digital-Wandler und auch "neuronaler" Netzwerke eignet. Letztere ermöglichen in der mit der erfindungsgemäßen Zelle erhaltenen einfachen Struktur eine große Anzahl von Anwendungen, wie; Zielidentifikation, Handschrifterkennung, Spracherkennung, künstliches Sehen, etc Wie man weiter oben gesehen hat, kann man an einem derartigen, aus erfindungsgemäßen Zellen gebildeten Netzwerk einen "analogen" Lernprozeß nach Art der Hopfield-Netzwerke durchführen, die jedoch einen sehr viel komplexeren Aufbau haben. Es muß auch noch bemerkt werden, daß die Herstellung erfindungsgemäßer Schaltzellen oder "neuronaler" Netzwerke aus derartigen Zellen mit Hilfe wohlbekannter und in der Mikroelektronik weit verbreiteter Techniken der mikrolithographischen Ätzung möglich ist.

Claims (14)

1. Elektrische Schaltzelle mit einem ersten Kanal (1) aus einem Material, das einen supraleitenden und einen Widerstandszustand hat, einer Einrichtung zum Kühlen, um den ersten Kanal (1) auf einer Temperatur unterhalb derjenigen zu halten, die die Supraleitfähigkeit des Materials unterhalb einer kritischen Stromstärke in dem Kanal (1) sichert, einer Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung des Kanals (1) und einer Einrichtung zum Regeln der Intensität des in dem Kanal fließenden elektrischen Stroms, so daß der Kanal wahlweise in seinen supraleitenden oder seinen Widerstandszustand gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle außerdem einen zweiten Kanal (2) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist, der elektrisch parallel zu dem ersten Kanal (1) geschaltet ist, so daß die Spannung an den Anschlüssen des zweiten Kanals (2) im wesentlichen null ist, wenn der erste Kanal (1) in seinem supraleitenden Zustand ist, und von null verschieden ist, wenn der erste Kanal in seinem Widerstandszustand ist, wobei die Anschlüsse mit einer Einrichtung (5) zum Messen der für den Zustand der Zelle repräsentativen Spannung verbunden sind.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (6) zum elektromagnetischen Induzieren mindestens eines überwachten Stroms (Id) zwischen den Anschlüssen der Kanäle (1, 2) aufweist, der zu dem Strom (Ib) hinzukommt, der von der Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung, gegebenenfalls über andere Zellen gleicher Bauart, zugeführt wird.

3. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum elektrischen Einspeisen mindestens eines überwachten Stroms (Id) zwischen den Anschlüssen der Kanäle aufweist, der zu dem Strom hinzukommt, der von der Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung, gegebenenfalls über andere Zellen gleicher Bauart, zugeführt wird.

4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kanal (1, 2) aus aufeinander liegenden Dünnschichtmaterialien bestehen, wobei der zweite Kanal (2) aus einem nicht-supraleitenden Material mit einem spezifischen Widerstand besteht, der weit unterhalb desjenigen des Materials des ersten Kanals (1) liegt, wenn dieser in seinem Widerstandszustand ist.

5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (1) aus einem Material besteht, das bei einer Temperatur supraleitend ist, die mittels einer Einrichtung zum Kühlen mit verflüssigtem Industriegas erzeugt wird.

6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material ein keramisches Material ist.

7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material ein YBaCuO-Material ist.

8. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material eine Metallegierung ist.

9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung NbTi ist.

10. Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie in nur einer Richtung (D1, D2) leitende Einrichtungen aufweist, durch die der in der Zelle fließende und/oder ein in dieser Zelle induzierter oder eingespeister Strom (Id&sub1;, Id&sub2;) hindurchfließt.

11. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal mehrere Teile aufweist, die in Serie geschaltet sind und vorbestimmte Abschnitte hat, die von einem Teil zum anderen übergehen.

12. Verwendung der Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verwirklichung eines logischen Gatters.

13. Verwendung der Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verwirklichung eines Analog/Digital-Wandlers.

14. Verwendung der Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verwirklichung eines neuronalen Netzwerks.