DE2434997A1 - Josephson-kontakt-speicher - Google Patents
Josephson-kontakt-speicherInfo
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Description
Aktenzeichen der Anmelderin: SZ 973 005
Die Erfindung betrifft einen Digitalspeicher mit Josephson-Kontakten
(Josephson-Kontakt-Speicher), d.h. einen Speicher zur Aufnahme digitaler Information, der in einer supraleitenden
Umgebung arbeitet, und der die mit dem Josephson-Tunneln verbundenen Effekte ausnutzt. Ein derartiger Speicher kann auf dem Gebiet
der elektronischen Datenverarbeitungsanlagen Verwendung finden.
Die Tatsache, daß der Speicher in einer supraleitenden Umgebung arbeitet, heißt nicht notwendigerweise, daß cryogene Temperaturen
eine Rolle spielen. Tatsächlich hängt der Temperaturbereich, in welchem der erfindungsgemäße Speicher arbeiten kann, streng
von den als Supraleiter verwendeten Materialien ab.
509817/0676
Bereits vorgeschlagene Josephson-Kontakt-Speicher gehören einem
Typus an, bei welchem ein oder mehrere Josephson-Kontakte in einen supraleitenden Kreis eingeschaltet sind, in welchem unter
gewissen Umständen ein Superstrom eingefangen sein kann. Der Josephson-Kontakt
(oder -Kontakte) kann als eine Art Stromschalter aufgefaßt werden. In den bekannten Speichern werden die Kontakte
tatsächlich während des SchreibVorgangs zwischen ihren supraleitenden
und widerstandsbehafteten Zuständen hin- und hergeschaltet. Typische Beispiele für diese Art Josephson-Kontakt-Speicher sind
im USA-Patent 3.626.391 und im Schweizer Patent 539.919 beschrieben.
Die Speicher des genannten Typs, die eine Speicherschleife aufweisen,
können zwar möglicherweise bei hoher Geschwindigkeit arbeiten, sie sind jedoch ziemlich groß und passen deshalb kaum
zu dem Trend in moderner Speicherarchitektur, der eindeutig zu sehr großen Massenspeichern tendiert. Außerdem verlangen die
meisten der bekannten Speicher einen Vorbereitungszyklus, der in
manchen Fällen ein großes Problem darstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Josephson-Kontakt-Speicher anzugeben, der keine supraleitende
Schleife für die Speicherung benötigt. Es soll ferner ein Speicher geschaffen werden, der keinen Vorbereitungszyklus erfordert.
SZ 973 005 - 2 -
509817/0676
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch beschriebene
Erfindung; Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Speichers gehören insbesondere:
eine sehr hohe Packungsdichte aufgrund der geringen Flachenausdehnung der einzelnen Josephson-Kontakte
sowie der Möglichkeit, die ebenfalls aus Josephson-Elementen bestehenden Leseschaltungen außerhalb der
eigentlichen Speichernaatrix anzuordnen
relativ leicht einzuhaltende Herstellungstoleranzen
einfache und billige Herstellung und damit Einsatz als
Massenspeicher
sehr hohe Operationsgeschwindigkeit geringe Abstrahlung von Leistung.
SZ 973 005 - 3 -
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Ausführungsformen der Erfindung werden hiernach beispielsweise
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Verstärkungskennlinie eines'langen
Josephson-Kontakts mit sich überlappenden
Wirbel-Moden,
Fign, 2a Blockschaltbilder von zwei möglichen Aus- und 2b führungsformen einer Speichermatrix,
Fig. 3 mögliche Arbeitspunkte für die beiden ersten
Wirbel-Moden eines Kontakts,
Fign. 4 und 5 Schaltbilder zweier Leseschaltungen,
Fig. 6 den Effekt der Formgebung auf die Wirbel-
Moden ,
Fign. 7a, 7b ein Ersatzschaltbild bzw. eine mögliche und 7c Formgebung für einen Kontakt,
Fig. 8 ein bevorzugtes Beispiel der Formgebung für
einen Kontakt,
Fig. 9 den Effekt von Herstellungstoleranzen auf
den Überlappungs-(Speicher-)Bereich zwischen
den (0-1) und (1-2) Wirbel-Moden und
Fig. 10 ein Schaltbild eines möglichen Kompensationsnetzwerkes .
SZ 973 005 - 4 -
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Ein Josephson-Kontakt mit einer Länge f , die fünfmal so gross ist
wie die Josephson TCindringüefe \j hat eine Verstärkungskennlinie
entsprechend Fig. 1. Die voll ausgezogene Hüllkurve markiert die G.renze zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand
des Kontakts.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird der Kontakt so betrieben,
dass, aussei- während des Unischaltens zwischen Wirbel-Moden, der
Kontakt dauernd in seinem supraleitenden Zustand verbleibt, d. h. seine
Arbeitspunkte bleiben immer unterhalb der ausgezogenen Linie in Fig.
In der Zone unteih alb der geraden Linie 1 kann der Kontakt in seinein
(0- 1)-Wirbel-Modus sein, während er unterhalb der gekurvten Linie 2
in seinem (1-2)-Wirbel-Modus sein kann. In der schraffierten Zone 3
kann der Kontakt offensichtlich im einen oder anderen der beiden Moden
sein. Tatsäclilich hängt es von der Vorgeschichte des Kontaktes ab, in
welchem Modus er sich wirklich befindet, wenn sein -Arbeitspunkt innerhalb
der Zone 3 liegt.'
Die gekrümmte Linie 2a umschliesst einen Wirbel-Modus (2-3) der nächsthöheren
Ordnung. Dieser Modus überlappt teilweise den Wirbel-Modus (1-2) in einer schraffierten Zone 3a. Die Parameter des Josephson-Kontakts
können so gewählt werden, dass der Wirbel-Modus (2-3) bei kleineren
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Werten des Stromes I beginnt, so dass ein Bereich existiert, in dem
alle drei Moden (0-1), (1-2) und (2-3) sich überlappen. In diesem
Bereich hat der Kontakt drei Möglichkeiten,- sich in einem bestimmten
Wirbel-Mod us zu befinden.
Der (l-2)-Wirbel-Modus entspricht dem Zustand des Kontaktes, in welchem
ein einzelnes Flussquant im Kontakt eingefangen ist, während in dem (0-1)-Wirbel-Modus kein solches Flussquant eingefangen ist. Das Einfangen
eines Flussquants innerhalb des Kontaktes bedeutet, dass ein zirkulierender Superstrom in den Kontakt induziert worden ist. Dieser Strom fliesst
entlang einer der Elektroden und kehrt entlang der anderen Elektrode, in
einer Schleife zurück, welche durch die OxydscMcht des Kontaktes geschlossen ist. Diese Schleife umschliesst ein Bündel von Flusslinien,
die näherungsweise einem Flussquant φ entsprechen. Die Fähigkeit des
Kontakts, ein .Flussquant einzufangen, hängt von seiner Induktivität ab,
welche wiederum eine Funktion, seiner Größte ist, da die Induktivität L·
dem Verhältnis zwischen der Länge ^ des Kontaktes und seiner Breite w
proportional ist. Wenn die Induktivität des Kontakts gross genug ist, ist es sogar möglich, dass der Ueberlappungsboreich 3 den Ursprung (I =Ic=0)
des Diagramms dexv Fig. 1 enthält, wodurch die Speicherung eines einzelnen
Flussquants ohne Arbeitsströme ermöglicht wird.
SZ9- 73-005 - 6 -
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Der Ground für die Fähigkeit einer grossen Induktivität, ohne externe
Arbeitsströme ein einzelnes Flussquant speichern zu können, ist im
Prinzip der Flussquantisierung in supraleitenden Schleifen zu suchen. Der Flussinhalt φ eines Josephson-Kontakts ist von der Grossen-ο
i'd iiung
Φ = LI - N φ
^m
worin I der maximale Superstrom, L die Induktivität des Kontakts m
und NC]) die Anzahl der Flussquanten im Kontakt sind. Für die
Speicherung eines einzelnen Flussquants φ ist N=I, und man muss haben
L = L1 =* φ /I .
1 1O' m
Wenn die Induktivität L des Kontakts kleiner als L ist, kann der Kontakt
ohne äusseren Arbeitsstrom kein einzelnes Flussquant enthalten! . Falls L
> L1, kann der Kontakt ein oder mehrere Flussquanten enthalten.
Die vorliegende Erfindung zieht Nutzen aus diesen Eigenschaften der
Josephson-Kontakte, indem sie in der Auslegung eines Speichers zur
Anwendung gelangen, bei dem jede Sp eich erz.VlIe aus einem einzelnen
Josephson-Kontakt besteht. Zu diesem Zweck wird der (O-l)-Wirbel-Modus,
bei dem kein Flussquant im Kontakt eingefangen ist, willkürlich beispielsweise dem Binärwert (1) zugeordnet, während der (l-2)-Wirbel-Modus,
bei welchem ein Flussquant eingefangen ist, dem Binärwert (0) züge-
: 509817/0676
SZO-73-005 - 7 -
ordnet wird. Falls mehr als zwei Wirbel-Moden sich gegenseitig
überlappen, könnte jeder Modus einem ternären Wert, einem quarternären
Wert, usw., zugeordnet werden. Demnach wird erfindungsgemäss ein Josephson- Speicher -vorgeschlagen, bei welchem die einzelnen
Josephs on-Kontakte, - ausgenommen während des Umschaltens zwischen
den Moden, - dauernd in ihrem supraleitenden Zustand gehalten werden, und wobei die Informationsspeicherung durch das Umschalten der Kontakte
in den einen oder irgendeinen anderen ihrer Wirbel-Moden erfolgt. Um
das Verständnis zu erleichtern, werden bei dem hiernach beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung nur die beiden ersten Wirbel-Moden
benutzt.
Es wurde bereits erwähnt, dass der tatsächliche Modus des innerhalb
der schraffierten Zone 3 (Fig. 1) betriebenen Kontakts von der Vorgeschichte
abhängt. Wenn beispielsweise zuerst ein Steuerstrom I angelegt wird, befindet sich der Kontakt im (0-1)-Modus. Durch nachfolgendes
Anlegen eines Arbeitsstromes I , welcher den kritischen Wert I überschreitet, bei welchem Wert der (O-l)-Modus instabil wird,
schaltet der Kontakt rasch vom (0-1)-Modus in den (l-2)-Modus um.
Wenn der Strom I nun abgeschaltet wird, findet kein Rückschalten statt,
der Kontakt bleibt vielmehr im (l-2)-Modus. Wenn nun der Strom I
>co
er it
auf I - Δ I reduziert wird und ein Strom I > I erneut angelegt
co c w w
SZ9-73-005 - 8 -
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wird, wird der (l-2)~?.locju·; i)i:;t:;].'.;] u.';J dv:r Kun-akl schallet zurück
in den (O- l)--ModuK. Bei drirc-a^ToljOr.dei-i Abschalten der Ströme I.
und Δ I bleibt der Kontakt im (O-l)-Modus.
c
Aufgrund der Tatsache, dass jeder Ue.bergung eines Kontakts zwisehosn.
seinen zwei Wirbel-Moden eine Aenderung seines Energieinhnlts nach
sich zieht, ist das Auslesen der gespeicherten Information möglich. Da
-15 die 3'"1Iussänderung jedoch nur ein einzelnes Flussquant mil 2-10 ' Vs
betrifft, ist die erzielte Energieänderung nur von der Grössenordnung
■j Q
10 Joules für Ströme im Milliamperebereich.
Das Umschalten des Kontakts zwischen den Moden erfolgt extrem schnell
ι und manifestiert sich als sehr kurze Spannungsspitze, deren Amplitude
gross genug ist, um sie über den) Hintergrund rauschen erkennbar zu mache
Mit Jose.phson-Kontald.en, die in der Lage sind,binäre Information in der
Form von \Virbel-Moden zu speichern, ist es möglich, eine Spcicher-
2 matrix mit einer Packungsdichte grosser als 15-30. 000 Zellen/mm, zu
entwickeln. Diese hohe Packungsdichte nird dadurch ermöglicht, dass das
PiOblem des Auslesens nach ausscrhalb des eigentlichen Speichers
transferiert werden kann.
Die Organisation einer derartigen Speicharmalj-ix ist in der Fig. 2
geneigt. Die einzelnen Josephson-Kontaktc sind in einer Matrix angeordnet.
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509817/0676 BAD ORIGINAL
wobei alle in einer Spalte dor Matrix enthaltenen Kontakte 5
in Reihe geschaltet und an eine Wortleitung 6 angeschlossen sind.
Arbeitsstromleitungen 7 liegen über allen Kontakten einer jeden Reihe
der Matrix und führen einen festen Steuerstrom I , der- allen Kontakten
. · co .
gemeinsam ist. In Fig. 2a sind Bitleitungen 8 auch über alle Kontakte
jeder Reihe geführt ; sie werden mit bipolaren Bitimpulsen ίΆΐ ge_
C ο
co
speist. In Fig. 2b werden die Bitimpulse - ΔΙ dem festen Strom I
auf der Leitung 7 überlagert.
Der Wortstrom I r und der Bitstrom | δι I sind so gewählt, dass keiner
von ihnen allein den Arbeitspunkt des adressierten Kontakts veranlassen kann, aus der schraffierten Zone 3 der Fig. 1 auszuwandern. Andernfalls
könnte nämlich Information verloren gehen. Bei gleichzeitigem Auftreten
der Ströme soll der Arbeitspunkt die schraffierte Zone jedoch verlassen,
was hiernach näher beschrieben werden wird.
Die Verschiebung des Arbeitspunktes nach ausserhalb der Zone 3 in
Fig. 1 ist für gewisse Lese- und Schreiboperationen erforderlich. Wenn zunächst angenommen wird, dass der Kontakt sich in seinem (O-l)-Wirbel-Modus
befindet, der einem Binärwert (1) entspricht, nimmt er den Arbeitspunkt A (Fig. 3) ein, falls ein fester Steuerstrom I angelegt ist.
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243A997
Ein Bitinipuls + Δ] und ein Wovislroininipius 1 r werden dann gleichzeilig
an den Kontakt bügele·',!., so dass dor Arbeitöpunkt des Kontaktes
von A nach B läuft, und der Kontakt dabei1 aus seinem (O-l)-Wirbel-Modu.s
i,n den (1-2)-Wirbel-Mod us umschaltet, bzw, von Binär (1) nach Binür (0).
Das Abschalten der Ströme I und ΛI hat keinen Einfluss, da der
w c
Arbeitspunkt des Kontaktes auf eine Position innerhalb der schrafiierten
Zone 3 zurückkehrt, in welcher beide Wirbel-Moden möglich sind. Auch
die Wiederholung dieser Operation ändert den Wirbel-Modus nicht.
Um eine binäre (1) einzuschreiben, müssen ein Worlstrom I r und ein
Bitstromimpuls -AI gleichzeitig angelegt, werden. Dadurch erfolgt.
eine Verschiebung des Arbeitspünktes von A nach C. Der Kontakt schaltet
dann in den (0-1)-Wirbel-Modus, falls er sich vorher im (1-2)-Wirbel-Modu
befunden hatte. War ei' jedoch bereits im (0-1)- Modus, so tritt keine
A ende rung ein. Auch beim Abschalten der Bit- und Wortströme tritt keine
A ende rung auf. Ferner lässt die Repetition dieser Operation den (0-1)-Modus
unverändert.
Das Lesen der in den einzelnen, die Speiehermatrix bildenden Kontakten
gespeicherten Information ist der Schreiboperation sehr ähnlich. Ein
Wortstrom I und ein Bitstrom -I-Δ I werden gleichzeitig zu demionisen
w c "
Kontakt übertragen, dessen Informatiojisinhalt' auszulesen ist. Dadurch
wird der Arbeitspunkt des Kontakts zu einer Verschiebung von A nach B
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.SZ9-73-005 ' - 11 -
BAD ORIGINAL
(Fig. 2) veranlasst. Falls der Kontakt in seinem (l-2)-Wirbel~Modus
war, der einer binären (0) entspricht, geschieht nichts : der Kontakt
bleibt einfach in diesem Modus. Dementsprechend wird kein Ausgangssignal
erhalten, was für eine gespeicherte binäre (0) repräsentativ ist.
Falls d"er Kontakt in seinem (0-1)-Wirbel-Modus war, der einer gespeicherten
binären (1) entspricht, bewirkt das Anlegen der Ströme I und +AI sein Umschalten in den (l-2)-Wirbel-Modus. Dadurch .wird die
zuvor gespeicherte und dem (0-1)-Wirbel-Modus zugeordnete Information
zerstört.. Das Umschaltendes Kontakts erzeugt eine Spannungsspitze
AV, so dass /Δ ν . At ~ φ } wobei At die Impulsdauer und φ
das Flussquant sind.
Jeweils die Hälfte der Spannung AV läuft aufwärts bzw. abwärts entlang
der mit dem adressierten Kontakt verbundenen Wortleitung 6. An einem Ende der Wortleitung 6 sind geeignete Abtastmittel vorzusehen, die für
die Spannung AV/2 über die Zeit At empfindlich sein müssen. Das
andere Ende der Wortleitung. 6 ist vorzugsweise mit seinem Wellenwiderstand Z abzuschliessen, um Eeflektionen zu vermeiden.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Schaltung für das Auslesen der Information
aus dem adressierten Kontakt 5.' Die Wortleitung G ist mit dem Kontakt verbunden und setzt sich über eine Induktivität 9 nach Masse fort. Die
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Wortleitung 6 ist so ausgelegt, dass ihr Wellenwiderstand Z
jeweils aufrechterhalten ist. Mit dem oberen Ende der Induktivität 9 ist ein Widerstand 10 verbunden, der an einen Josephson-Kontakt 11
UHd1 an eine weitere Induktivität 12 angeschlossen ist. Sowohl der Kontakt
als auch die Induktivität 12 sind an Masse geführt.
Die Induktivitäten 9 und 12 sind für langsame Signale durchlässig, sie
sperren jedoch die beim Lesen der im Kontakt 5 gespeicherten Information erzeugten Stromspitzen. Nach dem Passieren des Widerstandes 10 addiert
sich die Stromspitze zu dem von einer nicht-gezeigten Stromquelle gelieferten
Arbeitsstrom I , der über eine Arbeitsstromleitung 13 dem Josephson-Kontakt
Il zugeführt wird.
Der Arbeitsstrom I ist so gemessen, dass der Kontakt Il normalerweise
in seinem supraleitenden Zustand verbleibt. Wenn sich die Lesestromspitze
zum Arbeitsstrom I addiert, wird der maximale Josephson-Strom
des Kontakts 11 überschritten, so dass der Kontakt sehr kurzzeitig in den normall extend en Zustand umgeschaltet wird. Dadurch wird wenigstens ein
Teil des Arbeitsstroms L in die Induktivität 12 transferiert und durch -
• bo
flies st dementsprechend die Steuerleitung 14 eines Abtast-Josephson-Kontakt
es 15.
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243499
Der'Abtast-Kontakt 15 wird über eine Leitung ;c mit eircrn Arbeitsstrom I, versorgt, der den Kontakt 15 normalerweise in seinem supra*
leitenden Zustand hält. Mit dem Anwachsen des Stromes in der Steuerleitung 14 wird der Kontakt 15 in seinen normalleitenden Zustand umgeschaltet.
Die Ausgangsinformation kann dann in konventioneller Art vom
Kontakt 15 abgenommen werden. Eine Steuerleitung 17 am Kontakt 15
erlaubt eine optimale Einstellung des Arbeitspunktes dieses Kontaktes.
Es ist daraufhinzuweisen, dass eine empfindliche Leseschaltung die
Benutzung eines Lesekontaktes 11 voraussetzt, welcher einen kleinen maximalen Josephson-Strom I aufweist, so dass der Energieiuhalt
der beim Lesen auftretenden Spitze derjenigen Energie vergleichbar ist, die zum Umschalten des Lesekontaktes 11 benötigt wird. Diese Energie
11 χ
ist von der Grössenordnung I · φ .
m ο
In einem Beispiel für eine typische Auslegung dieser Leseschaltung haben
die Josephson-Kontakte 5, 11 und 15 eine maximale Stromdichte
2
J __ = 22 IcA./cm . Der Speicherkontakt 5 hat eine Länge ε = 5\j = 13,5^m. Der Wellenwiderstand der Wortleitung 6 ist Z = 2 Ω , die. Induktivität 9 hat 5 pH, die Induktivität 12 hat 20 pH. De/ Widerstand 10 hat 0, 1 Ω . Der Josephson-Kontakt 11 ist vorzugsweise ein Punktkontakt ( c < λ τ )
J __ = 22 IcA./cm . Der Speicherkontakt 5 hat eine Länge ε = 5\j = 13,5^m. Der Wellenwiderstand der Wortleitung 6 ist Z = 2 Ω , die. Induktivität 9 hat 5 pH, die Induktivität 12 hat 20 pH. De/ Widerstand 10 hat 0, 1 Ω . Der Josephson-Kontakt 11 ist vorzugsweise ein Punktkontakt ( c < λ τ )
2
mit einer Fläche von 1, 1 · 1, 2,Um , mit einem maximalen Josephson-Strom I = 0, 28 mA. Der Steuerstrom ist I1 = I , und das ergibt einen mo bo i_io
mit einer Fläche von 1, 1 · 1, 2,Um , mit einem maximalen Josephson-Strom I = 0, 28 mA. Der Steuerstrom ist I1 = I , und das ergibt einen mo bo i_io
Josephson-Strom von 0, 84 I
mo
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Die kurze Stromspitze, die beim Auslesen eines Kontaktes 5 erzeugt
wird, reicht aus, um den Kontakt 11 anzustossen und eine Stromänderung in der Steuerleitung 14 von AI = 0, 24 mA hervorzurufen. Wenn der
A'btast-Kontakt 15 lang ist, z.B. t = 5 Xj und mit einem Arbeitsstrom.
I = 0, 8 mA betrieben wird, bei einem Strom I =0,9 mA auf der
so es
Steuerleitung 17, dann genügt die Stromänderung ΔΙ-,, um den Kontakt
zu veranlassen, in seinen normalleitenden Zustand umzuschalten.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Leseschaltung ist in Fig. 5
dargestellt. Wie in Fig. 4 ist der Speicherkontakt 5 mit einer Wortleitung
verbunden und eine Induktivität 9 ist vorgesehen, um den Leseimpuls gegen Masse zu isolieren. Die Stromspitze passiert einen Widerstand 10 zu
einem Josephson-Kontakt 18. Eine Arbeitsstromquelle 19 hält den Kontakt
normalerweise in seinein normalleitenden Zustand. Der Widerstand 10 und eine Vorspannung V sind so g.ewählt, dass der Arbeitspunkt des ·'
Kontaktes 18 nahe bei jenem Punkt liegt, an dem der Kontakt spontan '
zurückstellt, d.h. der Spannungsabfall VT am Josephson-Kontakt wird
nahe bei der Spannung Y . gehalten, bei welcher Spannung der Kontakt in den supraleitenden Zustand zurückkehrt.
Die beim Lesen erzeugte Spannungsspitze subtrahiert sich von der \rorspannung
V , so dass die Spannung V am Josephs on-Kontakt kleiner
wird als die Rückstellspannung V . , worauf der Kontakt in den supraleitenden
Zustand zurückschaltet. Dadurch steigt der Strom I
Cj U
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in einer Steuerleitung 20 erheblich an. Dieser Anstieg des Stromes
I wird benutzt, um einen Abtastkontakt 21 zu steuern, der normalerweise
supraleitend ist, aber der nun in seinen normalleitenden Zustand ujTigesehaltet wird, um das Ausgangssignal zu liefern.
Die Vorspannung V kann beispielsweise von einem weiteren Josephson-Kontakt
(nicht gezeigt) geliefert werden, der selbst-rückstell end ausgelegt
ist, so dass der Leistungs^erbrauch der Leseschaltung im Ruhezustand Null
ist. · I
Die Lage der Wirbel-Moden (Fig. 1), und damit die Ueberlappungszone 3
der (0-1) und (1-2)-Wirbel-Moden,hängt von der Formgebung des Kontaktes
ab. Die Supraleiter des Kontaktes , dessen Kennlinie in Fig. 1 dargestellt
ist, haben einheitliche Formgebung, Für gewisse Anwendungsfälle ist es
jedoch erwünscht, eine grössere Ueberlappungszone zu haben, und es wird
deshalb vorgeschlagen, wenigstens einer der Kontakt-Elektroden eine
andere Forin zu geben.
Die Formgebung kann beispielsweise in der Einschnürung des zentralen
Teils einer der Elektroden bestehen. Dieses Einschnüren hat einen ausgeprägten Einfluss auf die Lage des (1-2)-Wirbel-Modus, wie das
die Fig. 6 zeigt. Der Einfluss auf den (O-l)-Wirbel-Modus ist jedoch
gering. . ■ .'
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Das Einschnüren des zentralen Teils einer Elektrode bewirkt die
Verschiebung des (l-2)-Wirbel-Modus nach links in der normalisierten
Verstärkungskennlinie der Fig. 6. Mit schmaler werdender Einschnürung w
(W1 < w < \v ) uähex-t sich der linke Ast der (1-2)-Wirbel-Kurve der
I /I -Achse, und bewegt- sich schliesslich über den Ursprung I ■- I =
g' m to ] b g c
hinweg. Wenn das der Fa]I ist, wird der Speicher unempfindlich gegen
Stromausfall, wobei der Steuerstrom I verschwindet. Mit anderen Worten,
wenn sich die (1-2)-Wirbel-Kurve über die I /I -Achse erstreckt, enthält
die Ueberlappungszone den I =1 =0 -Punkt und die in den Speicherkontakten
gespeicherte Information kann beim Aufhören des Steuerstroms I nicht verloren gehen. '
Der Grund für die Verschiebung des (1-2)-Wirbel-Modus liegt darin,
dass die Formgebung die Induktivität des Kontaktes ändert. Tatsächlich
kann man. in erster Näherung einen Kontakt mit Einschnürung als aus zwei
Kontakten 22 und 23 bestehend ansehen, die durch eine Induktivität 24 miteinander
verbunden sind (Fig. 7a). Die Dicke t. der Oxydschicht 25 unterhalb des schmalen Teils 26 kann entweder die gleiche sein wie
unter den anderen Teilen der Vorrichtung, - in welchem Fall die ganze Anordnung ein regulärer Kontakt mit Formgebung ist, oder die Oxyddicke kann sehr viel grosser sein,- in welchem Fall man.es mit einem
echten Interferometer zu tun hat (Fig. 7b und c).
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Die praktische Auslegung eines Kontaktes mit Formgebung entsprechend
der vorliegenden Erfindung lässt sich am besten anhand der Berechnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zagen. Es wird auf Fig. 7a
Bezug genommen. Für die in Betracht gezogenen beiden Kontakte 22 und hat .man :
I1/I = sin φ
Im 1
I,/I = sin φ . ■ 2 " 2 dl
Avorin L, I9 die Ströme durch die Josephson-Kontakte 23 und 22, I
der maximale Josephson-Strom, ψ , φ die Phasendifferenzen
1 i
über den Kontakten, V1, V die Kontakt-Spannungen und L die
Induktivität des eingeschnürten Teils 26 sind. Da
$0 d<?
J 27C dt
ergibt sich
Tl 2 'I1n
L I ' η = 2π -~^ = ■ 27C N
worin φ das Flussquant und η die zur Abkürzung eingeführte normalisierte
Induktivität bedeuten. Damit können die oben angegebenen Beziehungen umgeschrieben werden als
I1/I = sin φ. ImI
2/Im = sin Φ2 - —
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SZ9-73-005 - 18 -
Falls in Fig. 7a der Strom I =0, .'iat man 1 + I - 0 und sin φ
g l Δ
χ
= -sin. Φο. Daraus ergeben sich die folgenden drei Lösungen :
(a) (P1 β φ^ 3 0 ■
Dieses ist die Null-Wirbel-Lösimg mit gespeichertem
Strom I=O.
r
r
sin
<p2 η
was Lösungen nur für η > 9., 24 ergibt. Das ist nicht an nehmbar
für den Fall, dass man mit einem einzelnen Flussquant arbeiten möchte, da es zu einem Arbeitsmodus mit mehl· als
einem Flussquant führt. Demnach ist zu fordern, dass η < 9, 24 für die Betriebsweise mit einem einzelnen Flussquant.
(c) (P1 - <p2 = ± π
sin φ2 - ± -|- - ±
Da Isin (?2 [
< 1 , muss man hoben N > 1/2 oder η > π .
' Es handelt sich hierbei um die i 1-Wirbel-Lösung mit einem ·
gespeicherten Strom 1 /i = i^Al . Damit ergeben sich die
Grenzen für η ", nämlich π < η <
9,2.4 für den Fall des Betriebs mit einem einzelnen Flussquant, und (in Abwesenheit
des Steuerstroms, I =1 =0) hat man den gespeicherten Strom
(Null-Wirbel)
( +1 - Wirbel )
( -1- Wirbel )
I r |
oder | 5 | I | x1 | I m |
- | 0 | /η | |
oder | 1 | r' | I m |
+· Tt | /η | ||||
- | I | r· | I ro |
11 | — 7C | - | |||
SZ9-73-005 | - 19 | 6 | |||||||
1 | 0 | 98 | 1 | 067 | |||||
Ohne hier in Einzelheiten der Ableitung zu gehen (BCS-Theorie), kann
man zeigen, dass η ungefähr ist :
N C
J-J
t
(
V^N C
0,4 I 1 + 2 . J-J - t.· · —- · A ,
> -i/I 4^ ' max iw'
worin \L = London Eindringtiefe (in ,um)
t, = die Oxyddicke un.terlia.lb des Teils 26 (in/an)
t '= (T/T ) , T = kritische Temperatur
J = maximale Josephson-Stromdichte (in 10 A/cm )
max ^ ' '
£/w = \fei-hältnis Länge zu Breite des Teils 26 '
A " = Fläche jedes der Kontakte 22 und 23 (in jum )
Mit t. = 20 R hat man einen echten Josephson-Kontakt, der z-. B. haben
.T = 800 & und ein J
L max
L max
kann λτ = 800 Ä und ein J =10 A/cm . Die Formel für Ά liefert
dann :
η = 0,064 -^- · A .
w
w
Für das Verhältnis EAj = 5 und mit A = 20 μιη , erhält man η = 6, 4 ,
was innerhalb der oben-angegebenen Grenzen, liegt.
Eine praktische Ausbildung einer diesem Beispiel entsprechenden Struktur
ist in Fig. 8 dargestellt, wobei alle Dimensionen in/im angegeben sind.
Die Verstärkungskennlinie eines Kontakts (Fig. l);und demnach die
Ueberlappungszonen 3, 3a zwischen den Wirbel-Moden,hängen vom Verhältnis
e /λτ ab, und damit auch von der maximalen Sti-omdichte J
J· max
Dieser Parameter ist es, der sich nur sehr schwer innerhalb enger
SZ9-73-005 . - 20 - .
5098 17/0676
-λ"
Toleranzen halten lässt. Wenn J , um etwa - 20% um den gewählten
max.
Wert variiert, ändert sich der Wert von i/'^J von 4, 5 bis 5, 5,
wenn der gewählte Wert für e/λ =5, 0 gewesen ist. Fig. 9 zeigt
%j
die entsprechenden Aenderungen in der Ueberlappungs- (oder Speicher-)
-Zone 3 (0-1., 1-2). In Fig. 9 ist I der maximale Josephson-Strom,
wenn J. den gewählten Wert hat.
max
max
Aus diesem Diagramm kann man die Toleranzen für die Wort- und Bitströme
für die angenommenen — 20% Aenderungen der maximalen Josephson-
Stromdichte J entnehmen. Unter der Annahme, dass der feste max
Steuerstrom 1 genau eingehalten wird, findet man mit I /I =0, 68,
co & ft co' m
I /T. = 0,12 und Δΐ /I - 0,27, dass die zulässigen Aenderungen von
w' m c' m ö ö
der Grössenordnung ± 10% für den Bitstrom. ΔΙ und — H% für den
Wortstrom I sind,
w
w
Die Einhaltung dieser Grenzen ist möglich, wenn ein gewisses Mass an
Nachführung für den Bit-Strom Δι vorgesehen ist. Wie erwähnt, kann
für einen geeignet geformten Kontakt der Steuerstrom I - Null gemacht werden, wodurch ein Parameter aus dem Tole3.-anzproblem eliminiert
werden kann. Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass mit den oben angegebenen
Grenzen der Informationsinhalt der Zellen durch von den Lese-
und Schreiboperationen herrührende Stromspitzen nicht zerstört werden
kann.
SZ9-73-005 - 21 -
509817/0676
Eine mögliche Schaltung für das Nachführen ist in Fig. 10 gezeigt.
Josephson-Kontakt 5 (Fig. 3, 4) ist mit einer Bitleitung 8 gekoppelt, v
in welcher der Bitstrom — ΔI fliesst. Mit Bitleitung 8 ist der Mittelpunkt
einer Reihenschaltung von Joscphsoti-Kontakten 27 und 28 verbunden,
welche über eine Leitung. 29 mit einem Arbeite strom L versorgt werden. '
Den Kontakten 27 und 28 ist eine Induktivität 30 parallel geschaltet.
Wenn der Kontakt 28 grosser ausgelegt ist als der Kontakt 27 und der
Arbeitsstrom I auf der Leitung 29 so gewählt ist, dass er den maximalen
27
Josephson-Strom I des Kontaktes 27 überschreitet, jedoch nicht den
^ max J
maximalen Josephson-Strom.I des Kontaktes 28, dann geht der -
max b
Kontakt 27 in seinen normalleitenden Zustand über und ein Teil des
Arbeitsstroms L wird in die Induktivität 30 transferiert. Wenn dieser
Transfer beendet ist., ist der in den'Kontakten 27 und 28 verbleibende
27
Strom gleich dem minimalen Josephson-Strom I . , der mindestens
fo 1 min
durch den Kontakt 27 fliessen muss, wenn dieser nicht spontan in seinen
supraleitenden Zustand zurückkehren soll. .
Der Steuerstrom I ηο wird dann in eine Steuerleitung 31 des Kontaktes
CZo
eingespeist, um diesen Kontakt in seinen normalleitenden Zustand urnzu-
schalten und dabei den Strom I . in die Bitleitung 8 zu. transferieren.
min ö
27
Daraus ergibt sich, dass der Bitstrom Δ I gleich dem Strom I . wird. '
C. mm
SZ9-73-005 ' ' - 22 -
509817/0676
Für kurze Kontakte ( I /Xj <
2) nimmt der minimale Josephson-
Strom I . ungefähr wie (J ) zu. Das in Fig. 10 gezeigte Schema
mm ■ ■ max fa B fa
liefert deshalb einen Bitstrom i" ΔΙ , der (J ) proportional ist,
c max l
wodurch teilweise Kompensation der Abweichungen in den Arbeitsbereichen
der Speicherzellen ermöglicht wird.
. SZ9-73-005 - 23 -
509817/0676
Claims (1)
- PATENTANSP RÜCHEDigitalspeicher mit Josephson-Kontakten, dadurch gekennzeichnet, daß jede Speicherstelle aus einem einzigen Josephson-Kontakt (5) besteht, dessen Parameter (Größe, Formgebung, Aufbau, Materialien) so gewählt sind, daß der Kontakt eine Verstärkungskennlinie (Fig. 1) mit wenigstens zwei sich teilweise überlappenden (3, 3a) Wirbel-Moden (0-1, 1-2, 2-3) aufweist, wobei in einem (1-2) der Wirbel-Moden (0-1, 1-2, 2-3) wenigstens ein einzelnes Flußquant φ Q) innerhalb des Kontakts (5) eingefangen sein kann, während in jedem anderen (0-1, 2-3) der Wirbel-Moden (0-1, 1-2, 2-3) eine andere Anzahl von Flußquanten (φ ) eingefangen sein kann, daß die sich überlappenden Wirbel-Moden (0-1, 1-2; 1-2, 2-3) digitalen Werten zugeordnet sind, und daß jeder Kontakt (5) mit einer Wortleitung (6) und einer Bitleitung (8) gekoppelt ist, in welche Leitungen (6, 8) nach dem Koinzidenzprinzip Ströme (1,1 ±Δ I ) eingespeist werden können, umW OO Cden Kontakt (5) zum Schreiben und Lesen von Information zwischen irgend zwei sich überlappenden Wirbel-Moden (0-1, 1-2; 1-2, 2-3) umzuschalten.2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter jedes der Josephson-Kontakte (5) so gewählt sind, daß die ersten beiden Wirbel-Moden (0-1, 1-2) die größte Uberlappungszone (3) aufweisen.SZ 973 005^ - 24 -509817/06763. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephson-Kontakte (5) eine langgestreckte Bauform aufweisen, wobei das Verhältnis ihrer Länge & zur Josephson-Eindringtiefe λ ungefähr λ/λ = 5 beträgt.4. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Josephson-Kontakte (5) im Speicher in einer Matrix ange-... ordnet sind/ derart, daß die Kontakte (5) jeder Spalte in Reihe an eine gemeinsame Arbeitsleitung (6) angeschlossen sind und daß die Kontakte (5) jeder Reihe der Matrix mit wenigstens einer Steuerleitung (7, 8) induktiv gekoppelt sind, wobei die entsprechenden Arbeits- und Steuerströme als Wortstrom (I ) und Bitstrom (±ΔΙ , ι ±ΔΙ )w c co cdienen.5. Speicher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wortleitung (6) mit einer Leseschaltung (Fig. 4) verbunden ist, die aus einer ersten Induktivität (9), einem Widerstand (10), einem ersten Josephson-Kontakt (11) und einer zweiten Induktivität (12) besteht, wobei der Josephson-Kontakt (11) so eingestellt ist, daß er sich normalerweise in seinem supraleitenden Zustand befindet und daß er durch einen Leseimpuls in seinen normalleitenden Zustand umgeschaltet wird, so daß wenigstens ein Teil des Arbeitsstromes (I, ) des Kontaktes (11) inbodie zweite Induktivität (12) transferiert wird, so daß der zweite Josephson-Kontakt (15) umschaltet, und ein Ausgangssignal abgibt.SZ 973 005 - 25 -509817/06766. Speicher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wortleitung (6) mit einer Leseschaltung (Fig.5) verbunden ist, die aus einer Induktivität (9), einem Widerstand (10) und einem ersten Josephson-Kontakt (18) besteht, wobei der Kontakt (18) durch eine Spannungsquelle (19) so vorgespannt ist, daß sein Arbeitspunkt nahe bei dem Punkt spontaner Rückstellung des Kontaktes (18) liegt, so daß dieser beim Erscheinen eines Leseimpulses zurückstellen kann und einen Strom (I9n) durch eine mit einem zweiten Josephson-Kontakt (21) gekoppelte Steuerleitung (20) fließen läßt, von welchem Josephson-Kontakt (21) ein Ausgangssignal abgenommen werden kann.7. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (M3). jedes Josephson-Kontaktes (5) einen verengten Teil (26) aufweist (Fig. 7, 8) zum Zwecke der Vergrößerung der Überlappungszone (3, 3a) seiner Wirbel-Moden (0-1, 1-2, 2-3).8. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb des Kontakts zwischen den Wirbel-Moden mit keinem,- bzw. einem einzelnen Flußquant die normalisierte Induktivität (η) des Kontakts entsprechend der. Bedingungπ < η < 9,24eingestellt wird, indem folgende Parameter (Fig. 7) entsprechend Gleichung I, Seite 20 gewählt werden:SZ 973 005 - 26 -509817/0678I / = Verhältnis Länge/Breite des eingeschnürten Teils (26) A = Fläche des Kontakts (22, 2 3)t. = Dicke der Oxidschicht unter dem eingeschnürten Teil (26)T
t = (m ) = bezüglich der Sprungtemperatür T normali-c csierte TemperaturJ™*„ = max. Josephson-StromdichteHl ei λλ = Londonsche Eindringtiefe.9. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t±) der Oxidschicht (25) unterhalb des verengten Teil (26) die gleiche ist, wie unter dem übrigen Teil des Kontaktes (5).10. Speicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t.) der Oxidschicht (25) unterhalb des verengten Teils (26) größer ist, als die Oxiddicke unter dem übrigen Teil des Kontaktes (5).11. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Kontaktes (5) so gewählt werden, daß das Überschneidungsgebiet der Wirbel-Moden den Zustand ohne Wort- und Bitstrom einschließt und somit die Speicherung eines Flußquants ohne Arbeitsströme ermöglicht.12. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitleitung (8) mit einer Schaltung (Fig. 10) zum Kompensieren möglicher Änderungen wenigstens eines derSZ 973 005 - 27 -509817/0676Parameter (J ) der Josephson-Kontakte (5) verbundenXuclXist, wobei die genannte Schaltung aus einem ersten und einem zweiten Josephson-Kontakt (27, 28) in Reihenschaltung und einer den genannten Kontakten (27, 28) parallelgeschalteten Induktivität (30) besteht, wobei die Kontakte (27, 28) verschiedene Größen aufweisen und mit einem Arbeitsstrom (I, ) gespeist werden, derart, daß der maximale Josephson-Strom (I ' ) nur eines (27) der Kontakte (27,ITIcLSC28) überschritten ist, und daß der Bitstrom (Δι ) auf der genannten Bitleitung (8) gleich ist dem minimalen Josephson-27
Strom (I . ) des genannten Kontakts (27).SZ 973 005 - 28 -509817/0676
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