約瑟夫遜隧道邏輯元件

約瑟夫遜隧道邏輯元件 Josephson tunnel logic由約瑟夫遜隧道結構成的邏輯元件。利用約瑟夫遜隧道結的I-U 特性，在電流或磁場作用下，使結從一個零電壓狀態轉變到另一個有電壓狀態以實現邏輯功能。與半導體邏輯元件相比，它具有開關速度快(可達10皮秒)和功率損耗小（約1微瓦）的優點，而且有利於高密度集成。

基本介紹

• 中文名：約瑟夫遜隧道邏輯元件
• 外文名： Josephson tunnel logic
• 原理：結從零電壓狀態轉變到有電壓狀態
• 優點：開關速度快  和功率損耗小 

構成

約瑟夫遜隧道結由兩層超導鈮或鋁合金薄膜中間夾一層厚度只有10～20埃的氧化層勢壘所構成。其中，關鍵性的氧化層常由自身金屬的熱氧化或等離子放電形成。圖1為帶有負載的約瑟夫遜隧道結的I-U 特性。Ic為結的臨界電流。當通過結的電流大於Ic時,結兩端的電壓從U=0狀態轉變到U厵0狀態。這就是過電流驅動方式。如果給定的結電流（門電流）Ig小於Ic，這時隧道結處於超導態，通過控制線A和B施加磁場，使結的臨界電流減小到低於Ig值，工作點沿負載線落到準粒子隧道特性曲線上而出現一個有電壓狀態。這就是感應控制驅動方式。圖2為約瑟夫遜結的等效電路。作為邏輯元件的約瑟夫遜結，應該有足夠大的回滯，使結在轉變到能隙電壓值(2墹/e)以下的電壓態時，只有很小的電流流過。這樣，對負載可以提供足夠的電流輸出。在這種邏輯電路中，隨負載情況的改變可以得到三種不同的工作模式：①對於負載大於RL時，在轉變後即使去掉控制電流，電壓態仍繼續保持,這就是鎖定模式；②當負載值介於RL和Rm之間時，在去掉控制電流後會復位到零電壓狀態，這種情況稱為非鎖定模式；③當負載小於Rm時，隧道結會自行回復零電壓態，而與控制電流無關，這種不穩定的I-U 特性稱為自復位模式。

約瑟夫遜隧道邏輯元件

單結的邏輯功能可以由超導量子干涉器件（在超導環中串聯一個或多個約瑟夫遜結）來代替。超導量子干涉器件有很高的磁場靈敏度，通過幾何參數的設計可以做到用很小的電流來控制開關過程。典型的邏輯電路是電流注入邏輯電路(CIL),包括感應耦合電路和直接耦合電路。感應耦合電路實現輸出電路與驅動電路之間的隔離；直接耦合電路允許較大的容限。

利用

利用約瑟夫遜隧道結可以構成基本的“與“門和“非“門電路，並由此設計出各種邏輯電路和觸發器、移位器和加法器等。

約瑟夫遜隧道邏輯元件