Квантрон Советский патент 1983 года по МПК G11C11/44 

(54) КВАНТРОН

Изобретение относится к микроэлектронике и вычислительной технике, в частности, к переключагельньм элементам на эффекте Джозефсона, и может быть использовано в вычисли тельных системах. . Известен переключательный элемен названный впоследствии параметричес ким квантроном, который содержит замкнутый сверхпррводгаций контур с включенным в него джозефсоновским переходом, индуктивно связанные с контуром управлянадие шины, а также шину управления, прилегающую к джоэефсоновскому переходу и образу ощую с ним криотрон. Индуктивность конту и критический ток перехода выбирают ся таким образ{ 1, что захваченный магнитный поток В отсутствие внешнего магнитного поля может принимать либо нулевое значение состояние О) либо значение, близкое к квантус.магнитного потока Фо - 2 -КГ состояние 1),Параметрический квантрон может служить универсальным элементом памяти и логики j,Недостатком параметрического . квантрона является сложность реалк зации этого элемента. Это связано с наличием в контуре криотрона, для управления которым необходимо, чтобы в образующем криотрон джозёфсоновском контакте при подаче тока в шииу управления наводился магнитный поток порядка Фо . Это возможно, если индуктивность вентиля криотрона имеет величину, сравнимую с величиной индуктивности самого контура. Это условие накладывает жесткие ограничения на гесшетрические размеры и конструкцию параметрического кваитрона. Кроме того, время переключения параметрического квантрона ограничено временем переключения самого криотрона. Известен квантрон, содержащий замкнутый сверхпроводящий контур с включентлм в него джозефсоновским контактом и индуктивно связанные с контуре шины управления. Указанный квантрон отличается от параметрического квантрона тем, что вместо криотрона он содержит сосредоточенный дяозефсоновский контакт. Отсутствие криотрона снимает все ограничения, Присущие параметри.ческому квантрону, Квантрон, как элемент Пс1мяти, широко используется при изготовлении интегральных сверхпроводниковых схем С 2 ЗНедостатком указанного вантрона является то, что для его переключения необходимо подавать на управляющие шины импульсы тока с амплитудой сравнимой с Максимальным циркулирующим в нем током. Это исключает возможность непосредственного управлен ния одного элемента сигналом, считан ным с другого такого же элемента. Это обстоятельство не позволяет организовать на квантронах какиелибо логические схемы, что снижает функциональные возможности квантрона. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей квантрона за счет выполнения логических операций, Указанная цель достигается тем, что в контур включен дополнительный сосредоточенный джозефсоновский контакт с которым.гальванически связана дополнительная шина управления На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого элемента{ на фиг.2 - зависимость внутреннего магнитного потока ф в квантроне от внешнего магнитного потока 0g , при различных значениях тока управления Квантрон содержит элемент памятк выполненный в виде замкнутого сверхпроводяэдего контура 1 с включенным в сосредбточенным джозефсоновским контактом 2, индуктивно связанные с контуром входные шину 3 и шину смещения 4, дополнительный сосредоточенный джозефсоновский контакт 5 и гальванически соединенные с ним шины управления б. Квантрон работает следующим образом. Через шину 4 смещения пропускаетс постоянный ток смещения, обеспечиваю щий магнитный поток в контуре величиной Фо/2. Исходному состоянию элемента при этом соответствуют два зна чения внутреннего магнитного потока, близкие к О и Фо(точки А и В кривой 1, фиг.2). Точка А соответствует состоянию логический О, точка В состоянию логическая 1, Для перекл чения элемента из состояния А в состояние В по шине 6 управления на джо зефсоновский контакт 5 подается ток, близкий к критическому току джозефсоновского контакта 5. При этом раз ность фаз на джозефсоновском контакт 5 близка к W2, а в контуре наводит ся дополнительный циркулирующий ток. Направление тока в шине 6 выбирается таким образом, чтобы дополнительный магнитный поток совпадал по знаку с потоке смещения Фо/2. На фиг.1 в шинах 4 и б стрелками показаны направления токов для этого случая. Ток управления вызывает смещение однорременно и по внутреннему потоку ( Tf/2), поскольку он жестко связан с фазой на втором контакте, и по внешнему потоку вследствие дополнительного наведенного циркулирующего тока. В результате кривая 1 .сдвигается так, что теперь зависимость внутреннего магнитного потока от внешнего описывается кривой 2. Для переключения квантронов в одну или несколько входных шин подается входной.ток (это может быть выходной сигнал с аналогичного квантрона), который наводит дополнительный магнитный поток, так что состоянию квантрона соответствует точка А на кривой 2. Поскольку это состояние является неустойчивым, то квантрон самопроизвольно перейдет в состояние когда внутренний магнитный поток близок к Фо (состояние В на кривой 2). При выключении тока управления состоянию квантрона соответствует точка В на кривой 1, таким образом квантрон оказался в состоянии логическая.Чтобы снова перевести квантрон в состояние логический О надо на шину управления подать ток обратной полярности. При этом состояние квантрона описывается кривой 3. Переклю1 в О аналогично описанному выше переключению О в 1 показано на фиг. 2 стрелками ). Поскольку шина управления.6 связана с контуром гальванически, то ток управления вводится в контур непосредственно, т.е. инжектируется. Поэтому естественно назвать указанный элемент инжекционным квантроном. Гальваническая связь в данном случае используется потому, что индуктивно связаться с контуром малых размеров и соответственно малой индуктивности весьма сложно. Кроме гого, гальваническая связь позволяет изготовить шины управления и сам сверхпроводящий контур в одном слое, что значительно упрощает технологию изготовления таких приборов. Кривые 1-3 (фиг.2) и процессы переключения рассчитаны для следующих параметров: отношения критических токов ciUc-i 5, ток управления ( Эс(( кривая 2), Эп ( кривая 3. Выходной сигнал с предлагаемого элемента может быть передан на другие такие же элементы, поскольку как и в случае параметрического . квантрона, величина входного сигнала переключающего элемент, быть значительно меньше величины выходного сигнала. Это означает, что коэффициент усиления такого элемента может быть осуществлен больше единицы и поэтому на его основе возможна организация любых логических схем, В соответствии с расчетами величина коэффициента усиления определяется отношением критических токов KOHTai -OB tгiЗc и током упраления и и может достигать 5 при 5.

Выбор критических токов контактов и тока управления определяется следующим образом.

Необходимо, чтобы при подаче тока управления кривые 2 и 3 были максмально сдвинуты относительно кривой 1. Это достигается при условии, если ток управления близок к критическому току второго контакта. При этом необходимо, чтобы циркулирующие в контуре токи мало влияли на состояние второго контакта, тогда положение кривых 2 и 3 будет фиксировано. Для эшого необходимо, чтобы ток управления и критический ток второго контакта были существенно больше циркулирующих токов, величина которых определяется критическим токсм первого контакта. Поэтому должны выполняться следующие условия.

Предлагаемое изобретение может найти применение при создании сверхпроводящих элементов ЭВМ. Квантрон может быть использован одновременно как элемент памяти, так и элемент логики при создании вычислительных сяст&л

Формула изобретения

Квантрон, содерясаший элемент памяти, выполненный в виде шины сверхпроводника, джозефсоновский контакт

и индуктивно связанные с шиной сверхпроводника шины управления, первый вывод джозефсоновского контакта соединен с первым концом шины сверхпроводника, отличающийся

тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет выполнения логических операций, он . содержит дополнительный джозефсоновский контакт-i, первый вывод которого подключен к второму выводу основного джозефсоновского контакта, я второй вывод - к второму концу сверхпроводника, причем первый и второй выводы дополнительного джозеф

ооновского контакта являются входами квантрона.

Источники инфо1 1ации, принятые во внимание при экспертизе

кл. 340-173.1, опублик. 1972 (прототип ).