Цифрові логічні елементи на базі окремого джозефсонівького тунельного переходу

Ростислав Крисько, Михайло Тиханський

Кафедра напівпровіднокової електроніки, Національний університет “Львівська політехніка”, УКРАЇНА, м.Львів, вул.С.Бандери, 12, E-mail: rostyslawk@gmail.com

В роботі розглянуто базові цифрові логічні елементи на основі надпровідників. Показано, що на основі одного S – I – S – джозефсонівського тунельного переходу можна реалізувати цифрові логічні елементи “АБО”, “І” “НЕ”. Створено математичну модель перехідних процесів які протікають в таких елементах цифрової логіки. Описано принцип роботи таких логічних елементів.

Ключові слова – джозефсонівський логічний елемент, джозефсонівський кріотрон, логічний перехід, логічний стан, перехідна характеристика, критичний струм, еквівалентна схема .

I.Вступ

На даний час найбільше поширення мають логічні елементи створені на основі напівпровідників. Перс­пективним є створення кріоелектронних цифрових логічних елементів, які розробляються з врахуванням нових фізичних ефектів. Також принципи кріоелект­роніки використовують для побудови ряду приладів (кріотрони, квантові і параметричні підсилювачі, резонатори, фільтри, лінії затримки і ін.). Найпоши­ренішим з цих приладів є кріотрон, що є пере­микальним кріогенним елементом, заснованим на властивості надпровідників стрибком змінювати свою провідність під впливом зовнішніх параметрів. Кріо­трон може знаходитися тільки в одному з двох станів: або в надпровідному, або з малою провідністю [1-4].

В наших попередніх роботах [5-7] було створено математичну модель перехідних процесів в джозефсо­нівських кріотронах – елементах комп’ютерної памяті, де показано, що кріотрон може перебувати в двох стійких станах, які можна інтерпретувати як стан логічного “0” та стан логічної “1”. Це є передумовою для створення логічних пристроїв та використання їх в цифровій електроніці. В цій роботі запропонована реалізація логічних елементів “АБО”, “І” та “НЕ” на базі джозефсо-нівських кріотронів. Створена матема­тична модель перехідних процесів, що протікають в таких елементах для розрахунку перехідних характеристик та визначеня параметрів схеми, за яких забезпечується висока швидкодія та стабільність роботи.

II. Загальний принцип роботи логічних елементів

Запропоновано реалізовати логічні елементи на основі джозефсонівського тунельного переходу (S – I – S – джозефсо-нівського тунельного переходу), в якому можливе бездисипативне тунелювання купе­рівських пар з одного надпровідника в інший чи дисипативне одноелектронне тунелювання носіїв заряду. Принцип роботи логічного елемента полягає в наступному: коли сила струму I через джозеф­сонівський тунельний перехід (контакт) є меншою за силу критичного струму I_c, напруга на контакті V = 0 внаслідок тунелювання купе-рівських пар, а якщо I > I_c, то бездиси-пативне тунелювання куперівських пар руйнується і на контакті виникає напруга V ≠ 0, оскільки його ВАХ визначається одноелектронним тунелюванням носіїв заряду.