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Dokumentenidentifikation DE3140032C2 07.06.1990
Titel Anordnung zum zerstörungsfreien Auslesen von Flußquanten mittels Interferometer bei einem Schieberegister mit Josephson-Kontakten
Anmelder Universität Karlsruhe Institut für Elektrotechnische Grundlagen der Informatik, 7500 Karlsruhe, DE
Erfinder Mischke, Gerald, Dipl.-Ing., 7500 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 08.10.1981
DE-Aktenzeichen 3140032
Offenlegungstag 21.04.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.06.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.06.1990
IPC-Hauptklasse G11C 19/32
IPC-Nebenklasse H01L 39/22   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum zerstörungsfreien Auslesen einzelner Flußquanten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schieberegister zum Speichern und Verschieben binärer Information werden in der Datenverarbeitung gebraucht. Schieberegister mit Josephson-Kontakten arbeiten im Bereich der Supraleitung. Die binäre Information wird durch die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Flußquantums an einen bestimmten Ort, d. h. in einem bestimmten supraleitenden Ring oder Masche dargestellt. Eine Kette solcher Maschen dient als Schieberegister. Das Ersatzschaltbild eines Abschnittes aus einem Schieberegister ist in Abb. 1 zu sehen.

Die Josephson-Kontakte A, B, C, D sind auf der einen Seiten mit der Masse M und auf der anderen Seite mit den Induktivitäten L verbunden. Je zwei Josephson-Kontakte, z. B. A und B und eine Induktivität L bilden eine elementare Speicherzelle. Ist das Produkt aus der Induktivität L und dem maximalen Josephson-Strom I&sub0; eines Kontaktes größer als ein halbes Flußquantum bzw. ist die charakteristische Phase



wobei Φ&sub0;=2,07 mVps ein Flußquantum ist, so kann in einer Masche ein Flußquantenzustand auch nach Abschalten aller äußeren Ströme gespeichert werden. Zur Erhöhung der Stromtoleranzen wird häufig λS=2f gewählt (DE-OS 27 35 133). Ein Flußquantum kann durch ein lokales Magnetfeld von einer Masche in eine der beiden benachbarten Maschen verschoben werden. Ein lokales Magnetfeld kann beispielsweise durch den Steuerstrom IC 1 in einer Steuerleitung erzeugt werden. Vierphasenschieberegister wurden eingehend untersucht, bei denen zur Speicherung und Verschiebung einer binären Information jeweils drei benachbarten Maschen vorgesehen sind. Eine der drei Maschen enthält ein oder ein Flußquantum, die beiden übrigen bleiben leer. Die Verschiebung eines Flußquantums von einer Masche in eine benachbarte kann innerhalb von nur 4 ps erfolgen (Beha, H.-J., Jutzi, W., Mische, G., "Margins of 16 ps/bit interferometer shift register", IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. ED-27, Nr. 10 [Oct. 1980], Seiten 1882-1887).

Zum Nachweis der Anwesenheit oder Abwesenheit eines oder mehrerer Flußquanten in einem supraleitenden Ring bzw. in einer Masche kann das magnetische Feld des gespeicherten Flusses in einen langen Josephson-Kontakt (Jutzi, W., "An inductively coupled memory cell for NDRO with two Josephson junctions", Cryogenics [Feb. 1976], Seiten 81-88) oder in einem Interferomerer mit zwei Josephson-Kontakten herangezogen werden (Zappe, H. H., "Memory cell design in Josephson technology", IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. ED-27, Nr. 10 [Oct. 1980], Seiten 1870-1882). Das Interferometer zum Auslesen habe die Induktivität LR und den maximalen Josephson-Strom I0R eines Josephson-Kontakts nach Abb. 2.

Die Masse M der Speichermasse kann mit dem Punkt M der Leseschaltung verbunden werden. Ein Lesestrom IR durch den langen Kontakt oder durch das Interferometer erzeugt einen Übergang von dem spannungslosen Zustand in den quasistationären Spannungszustand UR, falls in der Speichermasche ein Fluß vorhanden war. Nach Abschalten des Lesestroms fällt das Interferometer zum Lesen in den spannungslosen Zustand zurück, ohne ein Flußquantum einzuziehen bzw. zu speichern, da seine charakteristische Phase klein genug ist:



Häufig wird für empfindliche Detektoren λR≈2π/3 gewählt (Beha, H.-J., "Asymmetric 2 Josephson junction interferometer as a logic gate", Electronics Letters, Vol. 13, Nr. 7 [31st March 1977], Seiten 218-220).

Die oben beschriebenen, bekannten Ausleseschaltungen haben den Vorteil einer galvanischen Trennung und den Nachteil von Kopplungsverlusten zwischen Speicher- und Lesemasche.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Flußquants in einer bestimmten Speichermasche eines Schieberegisters durch den Spannungszustand bzw. den spannungslosen Zustand einer Lesemasche anzuzeigen, ohne daß die Information in der Speichermasche zerstört wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Vorteil der Erfindung liegt in der Größe der Toleranzfelder der Geometrien der Anordnung und der Treibströme beim Auslesen, da infolge der galvanischen Kopplung die Lese- und Speichermasche die gleiche Induktivität besitzen und magnetische Streuflüsse vermieden werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Abb. 3 und 4 beschrieben.

Die Zeichnung zeigt

Abb. 1 Ersatzschaltbild eines Abschnitts aus einem Schieberegister ohne Ausleseschaltung,

Abb. 2 Ersatzschaltbild einer bekannten Ausleschaltung mit induktiver Kopplung zwischen Lese- und Speichermasche,

Abb. 3 Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Ausleseschaltung mit galvanischer Kopplung zwischen Lese- und Speichermasche,

Abb. 4 Skizze einer praktischen Ausführungsform einer Ausleseschaltung mit galvanischer Kopplung zwischen Lese- und Speichermasche.

Das Ersatzschaltbild der vorgeschlagenen Ausführungsform in Abb. 3 zeigt eine gemeinsame Induktivität L von Lese- und Speichermasche. Die mit einem Flußquantum verketteten Ringströme IΦ&sub1; und IΦ&sub2; können sich zum Teil durch die Josephson-Kontakte der Speicher- und zum Teil durch die Lesemasche schließen.

Die charakteristische Phase der Speichermaschen ohne Lesezweig ist



Die charakteristische Phase der Speichermasche mit Lesezweig ist



Die charakteristische Phase der Lesemasche ist



Die maximalen Josephson-Ströme der Lesemasche I0R sind also erheblich kleiner als die der Speichermasche I0S. Für λR=2π/3 ist I0R/I0S=1/2. Beim Lesevorgang fließt der Lesestrom IR über die Josephson-Kontakte der Lese- und Speichermasche zur gemeinsamen Masse M. Im spannungslosen Zustand des Lese- und Speicherinterferometers sind die Leseströme in den vier Kontakten etwa gleich groß:

IR 1 = IR 2 = IR/2 ≈ IR 3IR 4.

Im linken Josephson-Kontakt der Lesemasche addieren sich der dort vorhandene Ringstrom des gespeicherten Flußquantums IΦ&sub1; und der Lesestrom IR 1 und im rechten Josephson-Kontakt subtrahieren sich IΦ&sub1; und IR 2. Der Lesestrom wird so gewählt, daß er zusammen mit den entsprechenden Teilen der Ringströme eines Flußquantums in der Lese- und Speichermasche a) den maximalen Josephson-Strom eines Josephson-Kontakts der Speichermasche nicht überschreitet und b) das Interferometer zum Lesen in den Spannungszustand treibt. Da die Speichermaschen im spannungslosen Zustand bleiben, kann die quasistationäre Lesespannung in besonders einfacher Weise zwischen dem Einspeisungspunkt des Lesestroms und der Masse, d. h. über der Reihenschaltung von Lese- und Speichermasche abgegriffen werden.

Für nominale, maximale Josephson-Ströme liegen die Toleranzen der Treibströme des Schieberegisters zum Schreiben, Schieben und Lesen bei etwa ±20%.

Die Skizze einer praktischen Ausführungsform mit den bekannten Mitteln der Dünnfilmtechnik für integrierte Schaltungen (Greiner, J. H. et al., "Fabrication Process for Josephson Integrated Circuits", IBM J. Ers. Develop., Vol. 24, Nr. 2 [March 1980], Seiten 195-205) ist in Abb. 4 zu sehen.

Über einem Substrat (z. B. Si) ist eine supraleitende Grundplatte 1 angeordnet. Elektrisch isoliert durch die Oxidschichten 2 liegen die Grundelektroden 3 der Josephson- Kontakte 4 und 8 der Speichermasche und 9 und 11 der Lesemasche. Die Gegenelektroden der Josephson-Kontakte 4, 8, 9 und 11 werden durch den Metallstreifen 5 auf sehr dünnen, schraffiert gekennzeichneten Tunneloxidschichten verwirklicht. Die gemeinsame Induktivität der Speicher- und Lesemasche wird durch den Metallstreifen 5 über einem dicken Oxid gebildet. Der Anschluß 10 für den Lesestrom ist symmetrisch zu den beiden Josephson-Kontakten ausgeführt. Eine Steuerleitung 6 ist elektrisch isoliert über der gemeinsamen Induktivität angeordnet. Das Bauelement kann mit nur vier Metallisierungen hergestellt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung zum zerstörungsfreien Auslesen einzelner Flußquanten, die in einem als Interferometer aufgebauten Schieberegister, bestehend aus einer Vielzahl von Speichermaschen, von denen jede aus mindestens zwei Josephson-Kontakten und einer Induktivität besteht, gespeichert sind, mittels eines Interferometers, welches eine Lesemasche aus zwei Josephson-Kontakten aufweist, wobei die Speichermasche und die Lesemasche miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen der Speichermasche und der Lesemasche galvanisch ist, wobei jeweils ein Josephson-Kontakt der Speichermasche mit einem Josephson-Kontakt der Lesemasche in Reihe verbunden ist, wodurch die Induktivität der Speichermasche überbrückt wird und daß ein Lesestrom hinreichend kleiner Amplitude zusammen mit den Ringströmen, die zu den gespeicherten Flußquantenzuständen gehören, nur die Lesemasche und nicht die Speichermasche in den quasistationären Spannungszustand treibt.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der charakteristischen Phasen der Lesemasche gR und der Speichermasche λR+λS≈2π sind, wobei gR<π ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lesestrom zwischen den beiden Josephson-Kontakten der Lesemasche eingespeist wird und über die Josephson-Kontakte der Speichermasche zurückfließt.
  4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Josephson-Kontakte der Lesemasche gleich große maximale Josephson-Ströme haben.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lesespannung zwischen dem Einspeisungspunkt des Lesestroms und der Masseverbindung der Speichermaschen abgegriffen wird.






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