DE1222597B - Aus duennen magnetischen Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung bestehendes Bauelement fuer Schalt- und Speicherzwecke - Google Patents
Aus duennen magnetischen Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung bestehendes Bauelement fuer Schalt- und SpeicherzweckeInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
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Int. α.:
Nummer:
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Auslegetag:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
HOIf
H 34926 VIII c/21g
27. November 1958
11. August 1966
27. November 1958
11. August 1966
Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauelement für Schalt- und Speicherzwecke, das aus dünnen magnetischen
Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung besteht, wobei eine erste dünne
magnetische Schicht auf einer festen Unterlage aufgetragen ist. Das erfindungsgemäße Bauelement ist
insbesondere für Rechensysteme, Logikschaltungen und Speicheranordnungen oder -schaltungen bestimmt.
Es ist zwar bekannt, daß man magnetische Schichten im Vakuum aufdampfen kann; es ist auch bekannt,
mehrere magnetische Schichten jeweils unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht aufzutragen,
um Wirbelstromverluste zu vermeiden. Auch ist es bekannt, elektrisch leitende Beläge auf einem der bekannten
magnetischen, ringförmigen Kerne anzubringen. Auch ist bekannt, diese magnetischen Schichten
auf einer elektrisch leitenden Röhre anzubringen, wobei wohl sowohl die Röhre selbst wie auch durch die
Röhre geführte Drähte als Leiter dienen. Auch ist so bereits eine Speichermatrix bekannt, bei der auf einer
ebenen Unterlage eine magnetische Schicht aufgebracht ist, die Aussparungen aufweist, durch die aus
Draht gebildete Leiter hindurchgeführt werden, so daß also die Leiter in dem für die Funktion des EIementes
wesentlichen Bereich senkrecht zur Ebene der magnetischen Schicht verlaufen.
Dabei bildet sich um jeden stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld mit konzentrisch um den Leiter
verlaufenden Feldlinien aus, dessen Feldstärke mit zunehmender Entfernung von dem Leiter abnimmt.
Da die für die Ummagnetisierung eines bestimmten Bereiches der magnetischen Schicht erforderliche
Zeit bei abnehmender magnetischer Feldstärke zunimmt, werden die von einem Leiter weiter
entfernen Bereiche langsamer ummagnetisiert als die nahen, und es ergeben sich bei diesen Anordnungen
insgesamt wesentlich längere Schaltzeiten, als den Erwartungen entspricht.
Demgegenüber ist das aus dünnen magnetischen Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung
bestehende Bauelement gemäß der Erfindung, das eine auf einer festen Unterlage aufgetragene
erste dünne magnetische Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dieser Schicht die elektrische
Leiteranordnung in Form von übereinanderliegenden dünnen isolierenden und elektrisch leitenden Schichten
und darauf eine zweite dünne magnetische Schicht aufgebracht ist, die die erste Schicht an zwei einander
gegenüberliegenden Rändern berührt.
Eine derartige Anordnung hat gegenüber den bekannten Anordnungen den Vorteil, daß alle Teile der
Aus dünnen magnetischen Schichten und
einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung
bestehendes Bauelement für Schalt- und
Speicherzwecke
einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung
bestehendes Bauelement für Schalt- und
Speicherzwecke
Anmelder:
Hughes Aircraft Company,
Culver City, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Phys. R. Kohler, Patentanwalt,
Stuttgart, Hohentwielstr. 28
Als Erfinder benannt:
Kent D. Broadbent,· San Pedre, CaUf. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. November 1957
(699 850)
V. St. v. Amerika vom 29. November 1957
(699 850)
beiden magnetischen Schichten etwa den gleichen, sehr kleinen Abstand von dem mit ihnen gekoppelten
elektrischen Leitern haben, so daß die Schaltzeiten äußerst kurz und die erforderlichen Schaltströme,
somit auch die zum Schalten bzw. Ummagnetisieren der magnetischen Schicht erforderliche Leistung, klein
sind. Die niedrigen Schaltströme ermöglichen den Aufbau von Schaltanordnungen unter Verwendung
handelsüblicher Transistoren.
Da die elektrischen Leiter erfindungsgemäß nicht aus Draht, sondern durch elektrisch leitende Schichten
gebildet sind und damit das ganze Bauelement lediglich aus übereinander angeordneten dünnsten
Schichten besteht, beträgt der Raumbedarf des erfindungsgemäßen Bauelementes nur einen kleinen Bruchteil
des Raumbedarfes der bekannten, vergleichbaren Bauelemente. Dies ist insbesondere bei der Verwendung
des Bauelementes für Speichermatrizen u. dgl. ein ganz entscheidender Vorteil; denn gerade bei diesen
Bauelementen verlangt die Technik heute immer stärkere Verkleinerung der Abmessungen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Die einzelnen Merkmale können
je für sich oder zu mehreren bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.
609 609/302
I 222 597
In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Ausführungsbeispiel ist eine einzige leitende Schicht
Erfindung dargestellt. 29 angeordnet, die von den magnetischen Schichten
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines durch Isolierschichten getrennt ist. Die leitenden und
bekannten magnetischen Schaltelementes und seiner isolierenden Schichten müssen schmaler als die
Bewicklung; - 5 magnetischen Schichten 27 und 28 sein, damit die
F i g. 2 zeigt schaubildlich eine Grundform eines Schichten 27 und 28 sich an ihren Längsseiten noch
erfindungsgemäßen, aus dünnen magnetischen und überlappen können, um den magnetischen Kreis zu
elektrischen Schichten bestehenden Bauelementes; schließen.
Fig. 3 zeigt schematisch einen verzerrt und ver- Im folgenden wird der Aufbau einer als »und«-
größert gezeichneten senkrechten Schnitt durch eine 10 Sdhaltelement arbeitenden Ausführungsform in Ver-Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelemen- bindung mit den F i g. 3 und 4 erläutert. Als Auflage
tes, wobei die Leitungsdrähte entfernt sind; für die dünnen magnetischen Schichten ist ein Träger
F i g. 4 zeigt ein auseinandergezogenes und ver- 30 vorgesehen, der aus einem isolierenden Werkstoff,
größertes Schaubild der einzelnen dünnen Schichten, beispielsweise aus handelsüblichem weichem Glas,
die das magnetische Element nach F i g. 3 aufweist 15 besteht. Es können jedoch auch andere, höhere Tem-
und wie diese Schichten aufeinanderfolgen. peraturen aushaltende Werkstoffe verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Bauelement gehört zu der Die dargestellte Ausführungsform des magnetischen
Gattung der in F i g. 1 dargestellten, bekannten Ring- Schaltelementes, die aus 15 im Vakuum aufgedampfkernspeicher
oder -schaltelemente. Dieses magnetische ten dünnen Schichten mit magnetischen, leitenden
Bauelement enthält einen Kern 10, der einen einzigen 20 oder isolierenden Eigenschaften besteht, entspricht
Flußweg aufweist und aus einem Werkstoff mit einer in ihrer Funktion dem logischen »und«-Schaltelement
im wesentlichen rechteckigen Hysteresisschleife be- der F i g. 1 unter Verwendung von nur zwei Steuersteht.
Der Kern 10 trägt mehrere Drahtwicklungen, wicklungen.
die bei der dargestellten Ausführungsform so ange- Die Dicke der einzelnen Schichten liegt im Bereich
ordnet sind, daß das Bauelement als logisches »und«- 25 zwischen 1000 und 25 000 A, die Gesamtdicke des
Schaltelement betrieben werden kann, nämlich eine auf der Unterlage 30 aufgebrachten magnetischen
magnetisch mit dem Kern 10 gekoppelte Eingangs- Schaltelementes somit in der Größenordnung von
wicklung 14, eine Ausgangswicklung 16 und vier 0,015 mm. Die Länge der beiden aus Permalloy.be-Steuerwicklungen
18, 20, 22 und 24. Die Zahl der stehenden magnetischen Schichten beträgt ungefähr
Steuerwicklungen an einem Logikelement hängt im 30 5 mm, die Breite beispielsweise 0,6 mm. Bei einer
allgemeinen von der gewünschten logischen Ver- derartigen Anordnung von dünnen Schichten überknüpfung
zwischen den Steuergrößen ab. Die Ein- lappen sich die Enden der magnetischen Schichten
gang§wicklung; ist.. mit einem nicht gezeichneten 32 und 34 an den Rändern, damit ein geschlossener
Impulsgeber verbunden, die -Ausgangswieklung 16 magnetischer Aufbau bzw. ein geschlossener Flußweg
kann beispielsweise einen Transistor entsperren 35 entsteht, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Nur der
od. dgl. Ie nach .der, dem Kern durch die Steuer- besseren Erläuterung wegen ist dies in Fig. 3 nicht
wicklungen eingeprägtenMagnetisierungsrichtung dargestellt. . ; -P » ?lj
entsteht bei einem Impuls in* der Eingangsleitung 14 , Zwischen diesen magnetischen Schichten 32 und 34
in der Ausgangsleitung 16 entweder keinlmpuls oder ist eine Mehrzahl von isolierenden und leitfähigen
ebenfalls ein Impuls. DieSe Arbeitsweise eines Ring- 40 dünnen Schichten angeordnet. Die Schichten sind
kernspeichers ist bekannt. Es wird jedoch in diesem nacheinander auf die Unterlage 30 über die magne-Zusammenhang
darauf hingewiesen, daß die Zahl tische Schicht 32 aufgetragen und bilden gegeneinder
BeeinflussungsmögKchkeiten der Magnetisierung ander isoliert zwei Steuerwicklungen, die Eingangsdes
Kernes lediglich durch den Raum begrenzt wird, wicklung und die Ausgangswieklung. Die Ausgangsder
zum Anbringen von Steuerwicklungen um den 45 wicklung besteht aus einer elektrischen Schleife um
Kern verfügbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen die magnetische Schicht 34, wie später noch näher
Schaltelement, das aus einzelnen dünnen Schichten erläutert wird. Eine dünne leitfähige Schicht 36 ist
aufgebaut ist, sind wegen des geringen Platzbedarfes ebenfalls zwischen, den magnetischen Schichten 32
sehr viele Steuerwicklungen möglich. und 34 angeordnet, die als elektrostatische Abschir-
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte, bekannte 50 mung dient. Unmittelbar auf der magnetischen
Schaltelement, besteht aus einem massiven Ringkern Schicht 32 liegt eine Isolierschicht 38 aus Siliziumaus
ferromagnetischem Werkstoff mit jeweils in einer monoxyd. Die Isolierschicht 38 hat eine Breite von
oder mehreren Windungen um den Ring gewundenen 0,38 τητη und ist längs der Mittellinie der magne-Wicklungen
aus Draht. tischen Schicht 32 angeordnet. Diese Isolierschicht
Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Ausführungs- 55 38 erstreckt sich über die Enden der magnetischen
form der Erfindung weist an Stelle des massiven Schicht 32 hinaus. Die erste Steuerwicklung wird
Ringkernes zwei extrem dünne, auf eine ebene Unter- durch die leitende Schicht 40 dargestellt, die direkt
lage aufgetragene magnetische Schichten und an Stelle über der Isolierschicht 38 so angeordnet ist, daß sie
der Drahtwicklungen einzelne, zwischen oder über von der magnetischen Schicht 32 vollständig isoliert
den magnetischen Schichten angeordnete leitende 60 ist. Zu diesem Zweck hat die leitende Schicht 40 nur
Schichten auf. eine Breite von 0,25 mm und ist auf die Mitte der
Die. einfachste Ausführungsform gemäß Fig. 2 Isolierschicht 38 aufgetragen, wobei ihre Endbesteht
aus zwei im wesentlichen gleich großen recht- abschnitte sich über die Isolierschicht 38 hinauseckigen
magnetischen Schichten 27 und 28, die sich erstrecken. Diese Enden können so ausgebildet sein,
nur längs zweier einander gegenüberliegender Ränder 6g daß an ihnen ein elektrisch leitender Draht zur Ver-
»A« berühren. Zwischen diesen magnetischen bindung mit äußeren Schaltkreisen angeschlossen
Schichten kann eine Vielzahl von elektrisch isolierten werden kann; sie können beispielsweise Lappen 40 a
leitenden Schichten angeordnet sein; im vorliegenden und 40 b aufweisen.
Die vierte bis achte Schicht sind in ähnlicher Weise aufgebaut, sie bestehen aus isolierenden und leitfähigen
Schichten und bilden die andere elektrisch isolierte Steuerwicklung und die Eingangswicklung.
Die isolierenden Schichten sind durch die Bezugszeichen 42, 46 und 50 bezeichnet, sie haben die
gleiche Breite wie die Isolierschicht 38. Die leitfähigen Schichten 44 und 48, die zwischen diesen Isolierschichten
angeordnet sind, haben die gleichen Abmessungen und sind in ähnlicher Weise ausgebildet
wie die leitfähige Schicht der Steuerwicklung 40. Die zweite Steuerwicklung besteht aus der leitfähigen
Schicht 44 einschließlich der Lappen 44« und 44 & und ist zwischen den isolierenden Schichten 42 und
46 angeordnet, während die Eingangswicklung (Taktwicklung) aus der leitfähigen Schicht 48 mit den
Lappen 48 α und 48 b besteht, die zwischen den isolierenden Schichten 46 und 50 angeordnet ist. Die
neunte Schicht 36 ist eine leitende Schicht und dient zur elektrostatischen Abschirmung. Die Schicht 36
hat eine Breite von 0,25 mm und weist einen nach außen rechtwinklig abstehenden Teil 36 a auf, wie
dies aus Fig. 4 hervorgeht. Dieser Teil ist elektrisch mit den magnetischen Schichten 32 und 34 verbunden.
Der Zweck dieser elektrostatischen Abschirmung wird weiter unten erläutert.
Die zehnte Schicht ist eine Isolierschicht 60, die gleich groß wie die übrigen Isolierschichten ist und
auch in gleicher Weise als Zwischenlage angeordnet ist.
Ein Teil der Ausgangswicklung ist durch die leitfähige Schicht 52 gebildet, die unmittelbar auf die
Isolierschicht 60 aufgetragen ist. Die Schicht 52 ist im wesentlichen gleich groß wie die übrigen leitfähigen
Schichten und weist einen Lappen 52 a an ihrem in Fig. 4 linken Ende zur Verbindung mit
äußeren Stromkreiselementen auf. Die zwölfte Schicht ist eine Isolierschicht 54, die wiederum ähnlich wie
die übrigen Isolierschichten ist und auf der die magnetische Schicht 34 angeordnet ist. Die Isolierschicht
56 entspricht wieder der Schicht 54 und ist auf die gleiche Weise aufgetragen und trägt als fünfzehnte
Schicht die Schlußschicht 58, die nach dem Auftragen elektrisch mit der Schicht 52 verbunden ist und gemeinsam
mit dieser die Ausgangswicklung für das magnetische Schaltelement bildet. Die Schicht 58 ist
eine leitfähige Schicht mit einem Lappen 58 a an dem in F i g. 4 linken Ende, deren rechtes Ende außerhalb
der Isolierschichten 54 und 56 auf dem entsprechenden Ende der leitfähigen Schicht 52 aufliegt, so daß
diese Schichten sich innig berühren und einen elektrischen Kreis bilden, der sich von dem linken Ende
oder dem Lappen 58 α der Länge nach durch die Schicht 58 und zurück durch die Schicht 52 zu dem
Lappen 52 a erstreckt. Die Ausgangswicklung bildet somit eine Schleife um die magnetische Schicht 34.
Die Steuerschichten und die Eingangsschicht sind mit der diese leitenden Schichten umfassenden
Schleife der magnetischen Schichten infolge der geringen Abstände zwischen den dünnen Schichten
induktiv eng gekoppelt. Jedoch muß die Kapazität zwischen den Wicklungen beachtet und gegebenenfalls
verringert werden. Diese Wicklungskapazität kann auf verschiedene Art und Weise unterdrückt
werden. Im vorliegenden Beispiel erschien es am bequemsten, dies durch die Abschirmschicht 36 vorzunehmen,
die gegenüber den leitfähigen Schichten isoliert ist und die mit den magnetischen Schichten
32 und 34 elektrisch dadurch verbunden ist, daß die Lappen 32 a und 34 a der magnetischen Schichten
und der Lappen 36 a der Abschirmschichten aufeinanderliegen.
Es ist zweckmäßig, die Schichten an diesem Punkt zu erden oder mit einem Punkt eines
gemeinsamen Potentials zu verbinden, der einen niedrigen Scheinwiderstand besitzt. Die zuletzt erwähnte
Verbindung bewirkt eine Erdung außerhalb des magnetischen Kreises und verhindert dadurch
besonders die Wirkungen kapazitiver Koppelung der Ausgangswicklung. Die Wirkung, die die Lappen 32 a
und 34 a der magnetischen Schichten 32 und 34 auf die Wirkungsweise des magnetischen Kreises haben,
sind hier nachweisbar klein.
Die Lappen der leitfähigen Schichten 40, 44, 48, 52 und 58 sind gestaffelt, versetzt und isoliert zueinander
auf der Unterlage 30 angeordnet, um einen unerwünschten elektrischen Kontakt zwischen den
Kreisen zu verhindern. Wenn jedoch noch weitere »und«- und »oder«-Schaltkreise auf der gleichen
Unterlage 30 angeordnet sind, so können die gemeinsamen Teile der einzelnen Schaltkreise, beispielsweise
die Serienschaltung der Ausgangswicklungen, in einer durchgehenden Schicht auf der Unterlage 30 aufgebracht
sein. Beispielsweise braucht die leitfähige Schicht 58 nicht an dem Lappen 58 α zu endigen,
sondern kann statt dessen sich durch das nächste »undÄ-Schaltelement hindurch erstrecken, um einen
Teil von dessen Ausgangswicklung zu bilden usw.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen magnetischen Schaltelementes erfolgt durch aufeinanderfolgendes
Aufdampfen der dünnen Schichten im Vakuum unter Zuhilfenahme von Masken, die jeweils
die Form der niederzuschlagenden Schicht frei lassen. Es können jedoch auch beliebige andere Verfahren
zur Herstellung dünner Schichten mit genau begrenztem Umfang benutzt werden.
Die oben angegebenen Maße stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Elementes dar und zeigen, welche Größen mit dem erfindungsgemäßen Aufbau verwirklicht werden können.
Die Dicke der dünnen Schichten ist nach unten durch die Forderung begrenzt, daß diese Schichten
noch ferromagnetisch sein sollen, während die Wirbelstromverluste die Verwendung von Schichten
über einer bestimmten Dicke uninteressant erscheinen lassen. Ebenso ist auch die beschriebene Reihenfolge
der fünfzehn im Vakuum niedergeschlagenen Schichten nur als Beispiel für den Aufbau eines Dünnschichtelementes,
das dem in Fig. 1 dargestellten logischen »und«-Schaltelement voll entspricht, aufzufassen.
Claims (7)
1. Aus dünnen magnetischen Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung bestehendes
Bauelement für Schalt- und Speicherzwecke, das eine auf einer festen Unterlage aufgetragene
erste dünne magnetische Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dieser Schicht die elektrische Leiteranordnung in
Form von übereinanderliegenden dünnen isolierenden und elektrisch leitenden Schichten und
darauf eine zweite dünne magnetische Schicht aufgebracht ist, die die erste an zwei einander
gegenüberliegenden Rändern berührt.
I 222
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetischen Schichten im wesentlichen eine längliche Rechteckform aufweisen.
3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Ausgangswindung durch ein zusätzliches Paar von leitfähigen Schichten gebildet ist, die beiderseits
einer magnetischen Schicht angeordnet sind und an einem in einem Abstand von der magnetischen
Schicht liegenden Punkt miteinander verbunden sind, so daß sie eine die magnetische
Schicht induktiv umfassende Schleife bilden.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen
Schichten einen sich nach außen erstrekkenden Teil aufweisen, der zur Verbindung mit
anderen Stromkreiselementen dient.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dicke der einzelnen Schichten im Bereich zwischen 1000 und 25 000 A liegt.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Schicht zur kapazitiven Abschirmung zwischen den magnetischen Schichten angeordnet ist und
mit diesen an einem bestimmten Punkt verbunden ist und daß das Element mehrere elektrisch isolierte
leitfähige Schichten aufweist, die zwischen den magnetischen Schichten und der Abschirmschicht angeordnet sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten in an sich bekannter Weise im Vakuum
aufgedampft werden.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 013 803,
016 304;
016 304;
deutsche Auslegeschrift N 11137, Villa/21a1
(bekanntgemacht am 22. 11. 1956);
französisdhe Patentschrift Nr. 966 694;
USA.-Patentschriften Nr. 2724103, 2792563.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 609/302 8.66 © Bundesdruckerei Berlin
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