Джозефсоновские криотроны

Выше отмечалось, что требования увеличения быстродействиясовременных ЭВМ делают актуальной разработку переключающихся элементов с малой рассеиваемой энергией (менее 0,1 мкВт) и с высоким быстродействием (более 100 ГГц). Одним из наиболее перспективных элементом в этом плане является управляемый магнитным полем джозефсоновский контакт, который также называют джозефсоновским криотроном (ДК).

Такой криотрон представляет собой сверхпроводящую структуру, содержащую один или несколько параллельно включенных джозефсоновских контактов и одну или несколько управляющих шин, ток в которых может наводить магнитное поле в этих контактах. Обычно в качестве вентиля в криотроне используются элементы в виде двух- или трехконтактных интерферометров. По сравнению с криотронами на основе распределенного джозефсоновского контакта эти элементы имеют меньшие размеры и лучшее быстродействие. Однако криотроны на распределенном контакте значительно меньше требовательны к воспроизводимости удельных критических токов и индуктивностей, позволяют легко обеспечить нужную форму характеристики управления и коэффициент усиления за счет выбора формы контакта и подводящих токовых шин.

Джозефсоновские криотроны могут быть использованы для построения цифровых схем по аналогии с пленочными криотронами на S – N переходах. Приведем основные свойства ДК, которые необходимо учитывать при использовании их в схемах логики и памяти.

1. Отсутствие гистерезиса на ВАХ вентильного контакта исключает необходимость гасящих импульсов и схем устранения памяти. Это позволяет использовать уже известные схемные решения для логических устройств. Наличие гистерезиса, обусловленное значительной шунтирующей емкостью, приводит к необходимости разработки сложных технических решений, позволяющих вернуть в исходное состояние вентиль после прекращения действия управляющего импульса. Это может достигаться либо подачей специальных импульсов гашения, либо отключением источника питания, причем становится необходимым формирование дополнительных ячеек памяти, где информация хранится в момент отключения источника питания.

2. Наличие остаточного тока вентиля, вызванное интерференционным характером подавления критического тока в вентиле при переключении, приводит к тому, что ток вентиля не может быть полностью вытеснен в альтернативную ветвь из цепи вентиля. Этот недостаток накладывает определенные ограничения на допуски параметров криотронов, но не является принципиальным для логических схем.

3. Форма управляющей характеристики может быть изменена в весьма широких пределах за счет выбора соответствующей конфигурации токопроводящих шин и формы самого контакта. Это позволяет простыми приемами достичь эффектов, для которых обычно используют специальные типы элементов, в частности, может быть получена существенно несимметричная по току управления характеристика.

4. На ДК возможно получение значительного коэффициента усиления по току (1,5 – 2) для простейших конструкций и до 4 – 5 при некотором их усложнении. Большой коэффициент усиления дает преимущества: позволяет создать разветвление по выходу, смягчает требование на разброс критических токов, снижает время переключения. Коэффициент усиления порядка трех является оптимальным для логических элементов.

5. Благодаря малым размерам вентиля – компонента ДК возможна весьма плотная упаковка в тех случаях, когда имеются общие цепи управления. В частности, это позволяет построить криотроны с повышенным выходным сигналом, соединяя последовательно несколько вентилей.

6. Минимальные размеры ДК определяются технологическими возможностями, существующим уровнем литографической техники. Оценки, полученные из рассмотрения соотношений для криотрона, показывают, что при ширине токоведущих шин W минимальная площадь криотрона может быть равна 4 W².

7. Максимальная плотность упаковки определяется не только минимальными размерами криотрона и соединительных цепей, но и допустимой тепловой нагрузкой. В устройствах, где элементы переключаются неодновременно, такой проблемы нет, например в адресных запоминающих устройствах. В схемах, где почти все элементы работают одновременно, максимальная плотность упаковки определяется допустимым средним перегревом.

8. Быстродействие элементарной криотронной схемы (криотрон с параллельно включенным затвором второго криотрона) можно оценить следующим образом: время вытеснения тока из вентиля в параллельную ветвь

τ ≥ (L_K+L)/R, (3.19)

где L_K – индуктивность вентиля;

L – индуктивность цепи;

R – сопротивление криотрона в нормальном состоянии.

9. Информационная емкость определяется как число переключений элементов в единицу времени на 1 см², для ДК составляет величину порядка 10¹⁷ см^-1 с^-1. Это значение на 3-4 порядка выше, чем у любой другой элементной базы.

10. Вход ДК представляет собой чисто индивидуальную нагрузку (L ≈ 10^-12 Гн), поэтому при управлении криотронными схемами внешних устройств (например, в ЗУ) к одной шине управления может быть подключено до 10⁵ элементов. При переключении одним криотроном N других, увеличение нагрузки приводит к пропорциональному увеличению задержки сигнала. Учитывая приведенную выше оценку, получаем τ ≥ 5N. При последовательном включении нескольких вентилей нагрузочная способность пропорционально возрастает.

В настоящее время установлено, что все основные особенности криотронов Джозефсона, традиционно изученные на традиционных сверхпроводниках, реализуются и на ВТСП материалах при азотных температурах.

Итак, ДК содержит джозефсоновский переход и управляющий элемент (шину). Ранее мы рассматривали структуры, на которых реализуется такой переход (рис. 1.16). Для ВТСП электроники были разработаны еще несколько вариантов конструкций джозефсоновского перехода (рис. 3.7).

а) б)

Рис. 3.7. Джозефсоновские переходы: а – торцевой джозефсоновский переход
б – бикристаллический переход. 1 – контактная площадка, 2 – ВТСП пленка, 3 – подложка

Торцевой джозефсоновский переход (рис. 3.7, а) обладает следующими особенностями.

· Безгистеризесный характер ВАХ, очень малая емкость С, емкостной параметр перехода меньше единицы:

β_с=(2е/ħ)I_cR_N²C. (3.21)

· Относительно большие значения критических напряжений.

· Значительный постоянный избыточный ток, типичный для переходов с непосредственной проводимостью.

· Большая величина сопротивления в нормальном состоянии. Торцевые джозефсоновские переходы имеют перспективы в применении еще и потому, что они выполнены на полупроводниковых подложках, могут быть совмещены с полупроводниковыми структурами, например, с диодами Шоттки.

В высокотемпературной криоэлектронике используется нетрадиционный подход, основанный на факте появления джозефсоновских слабых связей в контакте межкристаллических границ двух ВТСП монокристаллов, разориентированных в базовой плоскости на некоторый угол (α > 10°) (рис. 3.7, в). В зависимости от методики изготовления переходы на контакте межкристаллических границ подразделяются на бикристаллические, биэпитаксиальные и выращенные на ступеньке в подложке [21].

Бикристаллические джозефсоновские переходы из ВТСП, которые могут работать при азотной температуре, при гелиевой температуре по совокупности параметров, таких как сопротивление в нормальном состоянии R_N, критическая частота, они превосходят другие переходы. Отсутствие гистерезиса на ВАХ переходах устраняет необходимость шунтирования. Наиболее воспроизводимыми, с разбросом критических токов 12-15% по типу являются переходы, изготовленные на бикристаллических подложках из SrTiO₃, которые, однако, из-за большой диэлектрической проницаемости (ε>1000) и высоких потерь непригодны для применений в мм- и субмм-диапазоне волн. Монокристаллический сапфир с относительно низкой проницаемостью (ε=9,5) и малыми потерями (tgS =10^-6) – традиционный материал СВЧ электроники – представляется одним из наиболее перспективных для подложек.

Как мы уже отмечали, ВТСП керамика состоит из кристаллов, границы которых ведут себя, подобно джозефсоновским переходам. Если вырезать в толще ВТСП материала узкий мостик с такой границей, его можно использовать в качестве джозефсоновского перехода.