JPH03245398A - Superconducting memory - Google Patents

Superconducting memory

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JPH03245398A
JPH03245398A JP2041967A JP4196790A JPH03245398A JP H03245398 A JPH03245398 A JP H03245398A JP 2041967 A JP2041967 A JP 2041967A JP 4196790 A JP4196790 A JP 4196790A JP H03245398 A JPH03245398 A JP H03245398A
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JP
Japan
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current
superconducting
data
transistor
path
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JP2041967A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsunori Ueno
勝典 上野
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

PURPOSE:To simplify configuration and to reduce energy consumption by turning a superconducting transistor to a normal conductive state, injecting the current of contents into a loop-shaped path, afterwards, interrupting the current in the superconductive state, storing the contents in the loop-shaped path and reading the data contents from the current to flow from the loop-shaped path when the transistor is returned to the normal conductive state. CONSTITUTION:When writing data, a superconducting transistor 10 is turned to the normal conductive state and afterwards, the current controlled by a current control means 40 corresponding to the contents of the data is injected into a loop-shaped path 30. Next, the superconducting transistor 10 is switched to the superconductive state and afterwards, by interrupting the injection of the current, the injected current is stored in the loop-shaped path 30 as a permanent current. When reading the data, a current detecting means 50 detects the current to flow from the loop-shaped path 30 when switching the superconducting transistor 10 to the normal conductive state, and the contents of the data stored in the loop-shaped path 30 as the permanent current are read. Thus, since the loop-shaped path can be composed of one superconducting transistor and a superconducting body at a minimum as the structure of a memory unit, the structure can be simplified and the energy consumption can be decreased.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超電導体と電界効果形の超電導トランジスタ
を用いて超電導状態でデータを記憶するメモリに関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a memory that stores data in a superconducting state using a superconductor and a field-effect superconducting transistor.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

超電導電子回路ないし集積回路はよく知られているよう
にジョセフソン効果を利用するもので、もちろんかかる
超電導回路を構成するには、最も簡単な1ビツトのデー
タ用のラッチから多数個のデータを記憶できるRAMに
至るまで種々な段階のメモリが不可欠である。このジョ
セフソン効果を利用した超電導メモリ用には、従来から
それ用の基本回路として4 J L (Junctio
n Logic)ゲートが知られている。これは周知の
ようにトンネル形やポイントコンタクト形のジョセフソ
ン接合を超電導体を介して環状に4個接続して入出力抵
抗等と組み合わせたもので、原理的にはこのdJL形の
インバータを複数個組み合わせることによって所望容量
の超電導メモリを構成できる。
As is well known, superconducting electronic circuits or integrated circuits utilize the Josephson effect, and of course, in order to construct such a superconducting circuit, it is necessary to store a large number of data from the simplest 1-bit data latch. Various stages of memory, up to and including RAM, are essential. For superconducting memory that utilizes this Josephson effect, 4JL (junction
n Logic) gates are known. As is well known, this is a system in which four tunnel-type or point-contact type Josephson junctions are connected in a ring via a superconductor and combined with input/output resistors, etc. In principle, multiple dJL-type inverters can be connected By combining these, a superconducting memory with a desired capacity can be constructed.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかし、かかる4JLゲートを組み合わせて大容量メモ
リを構成しようとすると、ジョセフソン接合が非常に多
数個必要になる。すなわち、このインバータゲートを2
個組み合わせることによりメモリの基本要素である1ビ
ツトのランチを構成できるが、これでは1ビツトのデー
タの記憶用に8個のジョセフソン接合と数個の付属抵抗
が必要になるからである。
However, if a large capacity memory is constructed by combining such 4JL gates, a very large number of Josephson junctions will be required. In other words, this inverter gate is
By combining these, a 1-bit launch, which is a basic element of memory, can be constructed, but this requires 8 Josephson junctions and several attached resistors for storing 1-bit data.

さらに、この4JLゲートでは、その動作原理上からジ
ョセフソン接合に定常的にバイアス電圧を掛けて置く必
要があり、ふつうは抵抗によってこのバイアス電圧を作
るので、バイアス抵抗に流す電流が無視できなくなり、
とくに大容量メモリでは消費電力が非常に大きくなる。
Furthermore, in this 4JL gate, due to its operating principle, it is necessary to constantly apply a bias voltage to the Josephson junction, and since this bias voltage is usually created by a resistor, the current flowing through the bias resistor cannot be ignored.
In particular, large-capacity memory consumes a lot of power.

また、かかる抵抗中の発熱がジョセフソン接合や超電導
体が置かれる極低温条件下では当然使用時に経済的不利
を免れず、このため抵抗を極低温領域外に配設すると、
容易にわかるようにジョセフソン接合との接続が非常に
煩雑になってしまう。
In addition, the heat generated in such a resistor inevitably causes an economic disadvantage during use under the cryogenic conditions where Josephson junctions and superconductors are placed, and for this reason, if the resistor is placed outside the cryogenic region,
As can be easily seen, the connection with the Josephson junction becomes very complicated.

本発明は従来技術のかかる問題点を解決して、構成が簡
単でかつ消費電力が少ない超電導メモリを提供すること
を目的とする。
It is an object of the present invention to solve the problems of the prior art and provide a superconducting memory with a simple configuration and low power consumption.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

この目的は本発明によれば、ゲート制御により常電導状
態と超電導状態とに切り換え可能な電界効果形のトラン
ジスタと、トランジスタとそれを介して閉しられる超電
導体からなる環状路と、環状路に注入する電流を制御す
る電流制御手段と、環状路に接続された電流検出手段と
で構成され、データ書込時には、トランジスタを常電導
状態に置いた後に電流制御手段によりデータ内容に応じ
て制御された電流を環状路に注入し7次にトランジスタ
を超電導状態に切り換えた後に電流の注入を断つことに
より注入電流を環状路内に永久電流・として記憶し、デ
ータ読取時には、トランジスタを常電導状態に切り換え
た時に環状路から流出する電流を電流検出手段により検
出して永久電流として記憶されたデータ内容を読み取る
ようにした超電導メモリによって達成される。
This purpose, according to the invention, consists of a field-effect transistor that can be switched between a normal-conducting state and a superconducting state by gate control; It consists of a current control means for controlling the current to be injected, and a current detection means connected to a circular path.When writing data, the transistor is placed in a normally conducting state and then controlled by the current control means according to the data content. The current is injected into the annular path, the transistor is switched to a superconducting state, and the current injection is then cut off to store the injected current in the annular path as a persistent current.When reading data, the transistor is placed in a normal conducting state. This is achieved by a superconducting memory in which the current flowing out of the annular path when switching is detected is detected by a current detection means, and the data content stored as a persistent current is read.

〔作用〕[Effect]

本発明は、従来のように論理ゲートを2端子のジョセフ
ソン接合で構成する限り、回路素子数を減らすのは困難
で、かつバイアスを与えるための電力消費も不可避であ
る点に着目し、3端子回路素子である超電導トランジス
タを利用して超電導体とともにデータ記憶用の永久電流
を流す環状路を構成するようにしたものである。
The present invention focuses on the fact that as long as logic gates are configured with two-terminal Josephson junctions as in the past, it is difficult to reduce the number of circuit elements and power consumption for providing bias is unavoidable. A superconducting transistor, which is a terminal circuit element, is used together with a superconductor to form a circular path through which a persistent current for data storage flows.

この環状路は最低1個の超電導トランジスタとそれによ
り閉しられるバクーンに形成された超電導体で構成でき
るので、1ビツトの記憶単位構造が従来の8個のジョセ
フソン接合を用いる場合と比べて格段に簡単化され、か
つ1ビツトの内容が環状路内の永久電流の形で記憶され
るので記憶中の電力消費が不要になる。
Since this ring path can be constructed from at least one superconducting transistor and a superconductor formed in a backbone closed by it, the memory unit structure for 1 bit is much improved compared to the conventional case using 8 Josephson junctions. and since the contents of one bit are stored in the form of a persistent current in the ring path, no power consumption is required during storage.

さらに、本発明ではこの超電導トランジスタに電圧制御
形の電界効果トランジスタを用いることにより、それを
超電導状態にして環状路を閉じ。
Furthermore, in the present invention, by using a voltage-controlled field effect transistor as the superconducting transistor, it is brought into a superconducting state and the loop path is closed.

常電導状態にして環状路を開く動作や状態維持のための
電力消費も不要にする。
It also eliminates the need for power consumption for opening the ring path and maintaining the state by making it into a normally conductive state.

5− なお、前項の構成中の電流制御手段は、超電導トランジ
スタを常電導状態に置き環状路を開いた状態で記憶すべ
きデータの各ビットの内容に応じた電流を環状路に注入
するとともに、超電導トランジスタを超電導状態にして
環状路を閉した状態で電流注入を断つことにより注入電
流、すなわちデータ内容を永久電流の形で環状路内に記
憶させるためのものである。
5- Note that the current control means in the configuration described in the previous section injects a current into the ring path according to the content of each bit of data to be stored with the superconducting transistor in a normal conduction state and the ring path open, and This is to store the injected current, that is, the data content, in the form of a persistent current in the annular path by cutting off current injection with the superconducting transistor in a superconducting state and the annular path closed.

また、電流検出手段は、かかる状態から超電導トランジ
スタを常電導状態に切り換えて環状路を開いた時、それ
から流出する電流を検出して永久電流の形で記憶されて
いたデータ内容を読み取るためのものである。
Further, the current detection means is for detecting the current flowing out when the superconducting transistor is switched from such a state to a normal conducting state and opening the ring path, and reading the data content stored in the form of a persistent current. It is.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図を参照しながら本発明の実施例を具体的に説明
する。第1図は本発明の超電導メモリの1ビツト分の構
成回路図、第2図はその動作を示す波形図、第3図は超
電導トランジスタの構造例の断面図、第4図はその多ビ
ットの超電導メモリへの適用例の回路図である。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. Fig. 1 is a configuration circuit diagram for one bit of the superconducting memory of the present invention, Fig. 2 is a waveform diagram showing its operation, Fig. 3 is a cross-sectional view of a structural example of a superconducting transistor, and Fig. 4 is a multi-bit circuit diagram of the superconducting memory. FIG. 2 is a circuit diagram of an example of application to a superconducting memory.

6一 第1図において、中央部に示された環状路30は図では
簡略にそのゲート15で示された超電導トランジスタ1
0とこの例ではほぼ円環状に形成された超電導体20と
からなり、図では部分ハツチングを付した一点鎖線で示
すように例えば液体ヘリウム温度の極低温内に置かれる
。この内の超電導トランジスタ10は、例えばC1ar
k等により提唱された電界効果トランジスタ (Fea
sfb口ity of HybridJosephso
n Field Effect Transistor
; J、 Appl・Pbys、、 vol、 51.
2736−2745.1980−5を参照)であって、
以下まずその構造例を第3図を参照して説明する。
6- In FIG. 1, the ring path 30 shown in the center is connected to the superconducting transistor 1, which is simply shown by its gate 15 in the figure.
0 and, in this example, a superconductor 20 formed approximately in an annular shape, and is placed in an extremely low temperature, for example, at the temperature of liquid helium, as shown by the partially hatched dot-dash line in the figure. Among them, the superconducting transistor 10 is, for example, C1ar
The field effect transistor (Fea
sfb mouthity of Hybrid Josephso
n Field Effect Transistor
; J, Appl·Pbys,, vol, 51.
2736-2745.1980-5),
An example of its structure will be described below with reference to FIG.

この超電導トランジスタIO用の半導体基板としては、
比較的低不純物濃度の例えば電子電導性のn形シリコン
の基FiI lが用いられ、その表面からソース・ドレ
イン層に相当する1対の拡散層12と13を例えばn形
の高不純物濃度拡散で作り込み、両波散層12と13の
相互間表面を0.1μ前後のごく薄いゲート酸化膜14
で覆った上に、通例のように多結晶シリコン等のゲート
15を設ける。
As a semiconductor substrate for this superconducting transistor IO,
For example, an electronically conductive n-type silicon base FiI with a relatively low impurity concentration is used, and from its surface, a pair of diffusion layers 12 and 13 corresponding to the source/drain layer are formed by, for example, n-type high impurity concentration diffusion. A very thin gate oxide film 14 of around 0.1 μm is formed on the surface between the two dispersion layers 12 and 13.
On top of this, a gate 15 made of polycrystalline silicon or the like is provided as usual.

超電導体20は例えば1p程度の厚みに真空蒸着された
ニオブ膜であって、図のようにゲート15を挟みかつ両
波散層12と13に接触するようにこれを設けることに
より、電界効果形の超電導トランジスタ10に対するソ
ース・ドレイン電極とするとともに、第1図の円環状パ
ターンに形成して超電導トランジスタ10とともに環状
路30を構成させる。
The superconductor 20 is, for example, a niobium film vacuum-deposited to a thickness of about 1 p, and by providing it so as to sandwich the gate 15 and contact both the dispersion layers 12 and 13 as shown in the figure, a field effect type They are used as source and drain electrodes for the superconducting transistor 10, and are formed in the annular pattern shown in FIG. 1 to form an annular path 30 together with the superconducting transistor 10.

なお、この超電導体20に対する接続は第3図の左右両
側に示すように、それに導電接触するアノPミ等の接続
電極膜21を介してなされる。
Note that the connection to the superconductor 20 is made via a connection electrode film 21 such as ANO-P-MI which is in conductive contact with the superconductor 20, as shown on both the left and right sides of FIG.

極低温下で超電導体20が超電導状態になると、その中
の電子対の電子波ないし波動関数は、よく知られている
ように超電導体内に限らずその付近にも若干漏れ出し、
この超電導状態のいわば染み出し効果によって超電導状
態になる範囲は超電導コヒーレンス長さと呼ばれ、超電
導体20に接する半導体である拡散層12や13中のキ
ャリアすなわち電子の易動度の平方根とキャリア濃度の
立方根とに比例することが知られており、第3図の超電
導トランジスタ10では0.1犀程度である。
When the superconductor 20 enters a superconducting state at extremely low temperatures, the electron waves or wave functions of the electron pairs within it leak out not only into the superconductor but also into its vicinity, to some extent.
The range in which this superconducting state becomes superconducting due to the so-called seepage effect is called the superconducting coherence length, which is the square root of the mobility of carriers, that is, electrons, in the semiconductor diffusion layers 12 and 13 in contact with the superconductor 20, and the carrier concentration. It is known that it is proportional to the cube root, and in the superconducting transistor 10 shown in FIG. 3, it is about 0.1.

第3図の構造では、左右の超電導体20からのかかる超
電導状態の染み出し範囲は、不純物濃度の高い拡散層1
2と13内にそれぞれ延び得るが、両者間の不純物濃度
の低い基板11には延びず、これが超電導トランジスタ
10の常電導状態ないしオフの状態である。しかし、ゲ
ート15にゲート電圧Vgを与えて通常の電界効果トラ
ンジスタの場合と同様にゲート下基板11の表面のキャ
リア濃度を増加させると、超電導状態がこの基板11の
表面にも左右両側から染み出すようになり、左右の超電
導体20の間隔つまりゲート15の横方向幅を0.1〜
0.2μ以下にして置くと、左右からの超電導状態の染
み出しが互いに重なり合り、超電導トランジスタ10は
超電導状態ないしオン状態になる。
In the structure shown in FIG. 3, the range of such superconducting state seeping out from the left and right superconductors 20 is the diffusion layer 1 with high impurity concentration.
2 and 13, respectively, but does not extend to the substrate 11, which has a low impurity concentration between the two, and this is the normal conduction state or off state of the superconducting transistor 10. However, when the gate voltage Vg is applied to the gate 15 to increase the carrier concentration on the surface of the substrate 11 under the gate as in the case of a normal field effect transistor, the superconducting state also seeps into the surface of this substrate 11 from both the left and right sides. The distance between the left and right superconductors 20, that is, the lateral width of the gate 15 is set to 0.1~
If it is set to 0.2μ or less, the superconducting state seeping out from the left and right sides overlaps each other, and the superconducting transistor 10 becomes a superconducting state or an on state.

これかられかるように、第1図の超電導トランジスタ1
0はゲート電圧Vgがないとき常電導状態にあって環状
路30は開かれているが、ゲート電圧Vgを賦与するこ
とによって超電導トランジスタ10を超電導状態に切り
換えて、環状路30を閉しられた超電導路にすることが
できる。
As you will see, superconducting transistor 1 in Figure 1
0 is in a normal conducting state when there is no gate voltage Vg and the ring path 30 is open, but by applying the gate voltage Vg, the superconducting transistor 10 is switched to the superconducting state and the ring path 30 is closed. It can be made into a superconducting path.

9 本発明では、この環状路30内に閉し込める永久電流に
よりデータの内容を記憶するが、それには永久電流の元
になる電流を環状i30にまず注入する必要があり、こ
のために電流制御手段40が設けられる。第1[iJの
実施例では記憶すべきデータがディジタルデータでその
lビットの1.0の内容を永久電流の有無により記憶す
るので、電流制御手段40はこのlピントの書込データ
ーDをゲートに受は電流源60から環状路30に与える
注入電流iaを開閉制御する単一の電界効果トランジス
タ41により構成される。この電流制御手段40はふつ
う図のように極低温領域外に設けられるが、電流消費が
少ない電界効果トランジスタで構成される場合は極低温
領域内に組み込むこともできる。
9 In the present invention, the content of data is memorized by the persistent current trapped in this annular path 30, but in order to do so, it is necessary to first inject the current that is the source of the persistent current into the annular path 30, and for this purpose, current control is performed. Means 40 are provided. In the embodiment of the first [iJ, the data to be stored is digital data, and the content of 1.0 of the l bit is stored depending on the presence or absence of persistent current, so the current control means 40 gates the write data D of this l focus. The receiver is constituted by a single field effect transistor 41 that controls opening and closing of the injection current ia applied from the current source 60 to the annular path 30. This current control means 40 is normally provided outside the cryogenic region as shown in the figure, but it can also be incorporated within the cryogenic region if it is constituted by a field effect transistor with low current consumption.

電流検出手段50は上述の永久電流の形で記憶されたデ
ータ内容を読み取るためのもので、第1図の例では環状
路30と並列に接続され、それからの流出電流idをか
なり高感度で検出できるものであれば充分で、場合によ
っては抵抗と電圧検出回路を組み合わせて構成してもよ
い。
The current detection means 50 is for reading the data content stored in the form of the above-mentioned persistent current, and in the example of FIG. If possible, it is sufficient, and in some cases, a combination of a resistor and a voltage detection circuit may be used.

0− 第2図は、1ビツトの書込データWDがlである場合に
つき、第1図の超電導メモリの動作を示すものである。
0- FIG. 2 shows the operation of the superconducting memory shown in FIG. 1 when the 1-bit write data WD is l.

第2図(a)は超電導トランジスタ10に対するゲート
電圧Vgを示し、図示のように当初はこれをOにして超
電導トランジスタIOを常電導ないしオフの状態にして
置く。次に、同図(b)に示す時刻t1に書込データW
Dの1を電界効果トランジスタ41のゲートに与えてそ
れをオンさせ、電流源60から注入電流iaを環状路3
0に供給する。この際、第1図の超電導トランジスタ1
0がオフ状態にあって環状路30の図の右半部に電流が
流れないから、注入電流iaはもっばら環状路30の左
半部に流れて第2図(C)に示す電流ibとなる。
FIG. 2(a) shows the gate voltage Vg for the superconducting transistor 10, and as shown in the figure, it is initially set to O to keep the superconducting transistor IO in a normal conduction or off state. Next, at time t1 shown in FIG.
1 of D is applied to the gate of the field effect transistor 41 to turn it on, and the injected current ia is applied from the current source 60 to the annular path 3.
Supply to 0. At this time, the superconducting transistor 1 in FIG.
0 is in the off state and no current flows in the right half of the annular path 30 in the diagram, the injected current ia flows mostly into the left half of the annular path 30, resulting in the current ib shown in FIG. 2(C). Become.

この状態で、同図(a)に示ず時刻t2に超電導トラン
ジスタ10にゲート電圧Vgを与えてオンさせる。
In this state, a gate voltage Vg is applied to the superconducting transistor 10 at time t2 (not shown in FIG. 12A) to turn it on.

これにより環状路30の右半部も超電導状態になるので
、本来はこの右半部に電流が流れるはずであるが、左半
部に注入電流iaと同じ電流ibがすでに流れているの
で、その自己保持作用によって実際には右半部にまだ電
流は流れない。
As a result, the right half of the annular path 30 also becomes superconducting, so a current should originally flow in this right half, but since the same current ib as the injected current ia is already flowing in the left half, Due to the self-holding effect, no current actually flows to the right half yet.

しかし、これによって環状路30内に永久電流が流れる
準備が整うので、次に同図(b)に示す時刻twに電界
効果トランジスタ41のゲートに対する書込データWD
を切って注入電流iaを断つと、環状路30の左半部中
の電流jbの保持作用によって右半部にも電流が流れて
、環状路30内を同図(d)に示す永久電流icが巡回
するようになる。つまり、これにより上述の1ビツトの
書込データWDの1の内容に対応する注入電流iaが永
久電流icとして環状路30内に記憶されたことになる
However, this prepares the persistent current to flow in the annular path 30, so that the write data WD to the gate of the field effect transistor 41 is then written at time tw shown in FIG.
When the injected current ia is cut off by cutting off the current jb in the left half of the annular path 30, a current flows also in the right half of the annular path 30, causing a persistent current ic shown in FIG. begins to circulate. That is, as a result, the injection current ia corresponding to the content of 1 in the 1-bit write data WD is stored in the annular path 30 as the persistent current ic.

このようにして記憶されたデータの内容を読み取るには
、上述の状態から第2図(a)の時刻t「で示すように
ゲート電圧Vgを切る。これにより超電導トランジスタ
10が常電導ないしオフの状態に切り換わって環状路3
0の右半部に電流が流れなくなるので、永久電流icが
その保持作用により第2図(e)に示す流出電流idO
形で短時間内ではあるが電流検出手段50を通して流出
する。従って、電流検出手段50はこの流出電流idを
検出してそれから書込データWDの内容の1を読み取れ
ばよい。
In order to read the contents of the data stored in this way, the gate voltage Vg is turned off from the above-mentioned state as shown at time t in FIG. Switch to state and ring road 3
Since no current flows in the right half of 0, the persistent current ic becomes the outflow current idO shown in Fig. 2(e) due to its holding effect.
The current flows out through the current detection means 50, albeit within a short period of time. Therefore, the current detection means 50 only needs to detect this outflow current id and then read the content of 1 from the write data WD.

なお、以上は書込データilDが1の場合について述べ
たが、これが0の時はもちろん電界効果トランジスタ4
1が元々オンせず、従って注入データiaも永久電流j
cも0になるから流出電流idが発生せず、この実施例
での電流検出手段50は流出電流idがない時に記憶さ
れたデータ内容を0として読み取ることになる。
Note that the above has been described for the case where the write data ilD is 1, but of course when it is 0, the field effect transistor 4
1 is not originally turned on, therefore the injection data ia also has a persistent current j
Since c also becomes 0, no outflow current id is generated, and the current detection means 50 in this embodiment reads the stored data content as 0 when there is no outflow current id.

もっとも本発明の実施に当たっては、永久電流の正負の
方向を1ビツトのデータの内容に対応させることにより
、超電導メモリの動作をより確実にすることもできる。
However, in implementing the present invention, the operation of the superconducting memory can be made more reliable by making the positive and negative directions of the persistent current correspond to the contents of 1-bit data.

この場合には、例えば電流制御手段40を2個の電界効
果トランジスタで構成し、書込データWDの内容に応じ
てそれらを交互にオン動作させて注入電流iaを環状路
30に正または負の方向で与えることにより、書込デー
タ■の1またはOの内容に応して永久電流icに正また
は負の方向を与えることができる。また、流出電流id
もこれに応して正負両方向に発生ずるので、電流制御手
段40はその正負の方向に応して記憶データの内容の1
.0を正確に判定できる。
In this case, for example, the current control means 40 is constituted by two field effect transistors, which are turned on alternately depending on the contents of the write data WD to inject the current ia into the annular path 30 in a positive or negative manner. By giving it in the direction, it is possible to give the persistent current IC a positive or negative direction depending on the contents of 1 or O of the write data (2). Also, the outflow current id
Since the current is generated in both the positive and negative directions in response to this, the current control means 40 adjusts the content of the stored data according to the positive and negative directions.
.. 0 can be determined accurately.

13 以上の説明かられかるように、本発明の超電導メモリで
はデータ内容が永久電流の形で記憶されるので、データ
記憶はいわゆる永久記憶であり、環状路に対する極低温
条件が破れる等の異常事態時を除いて記憶が消失するお
それがない。また、このデータ記憶期間を通じて超電導
トランジスタに対するゲート電圧を単に維持して置くだ
けでよいから、極低温条件を維持する以外に電力消費は
発生しない。
13 As can be seen from the above explanation, in the superconducting memory of the present invention, data contents are stored in the form of persistent current, so data storage is so-called permanent storage, and abnormal situations such as breaking the cryogenic conditions for the ring path There is no risk of memory loss except over time. Further, since it is sufficient to simply maintain the gate voltage to the superconducting transistor throughout this data storage period, no power consumption occurs other than maintaining the cryogenic conditions.

また、前述の超電導トランジスタ10の構造かられかる
ようにそのゲート15はサブミクロンサイズにする必要
があり、超電導体20のサイズもこれに応して縮小でき
るので、1ビツトのデータ記憶用の環状路30を数〜1
0μ径程度0ごく微小なサイズに形成することができる
Further, as can be seen from the structure of the superconducting transistor 10 described above, the gate 15 needs to be made into a submicron size, and the size of the superconductor 20 can be reduced accordingly. 30 to 1
It can be formed into a very small size with a diameter of about 0μ.

第4図は、第1図の実施例における環状路30を行列状
に多数個配列して、実用的な超電導メモリを構成した例
を示すもので、その動作に関連する主な信号類の波形が
第2図に対応する形で第5図に示されている。
FIG. 4 shows an example in which a practical superconducting memory is constructed by arranging a large number of the annular paths 30 in the embodiment shown in FIG. is shown in FIG. 5 in a form corresponding to FIG.

14 第4図において、行列状配置された環状路30はM’S
導トランジスタのデート15と超電導体20により簡略
に示されており、この実施例では行方向に詑ぶ8個の環
状路30に図の上部に示されたビットWDO〜WD7か
らなる1バイトの書込データを一斉に記憶させ、かつそ
れらから図の下部に示されたピントRDO〜R[17か
らなる1バイトの読取データを一斉に読み出すようにな
っている。このため、行方向に並ぶ環状路30中の超電
導トランジスタのゲート15は共通接続されてゲート電
圧vgO〜νg+によりそれぞれ制御される。
14 In FIG. 4, the ring paths 30 arranged in a matrix are M'S
In this embodiment, a 1-byte write consisting of bits WDO to WD7 shown in the upper part of the figure is shown in a simplified manner by the date 15 of the conductive transistor and the superconductor 20. 1 byte of read data consisting of the focus RDO to R[17 shown at the bottom of the figure is read out all at once. Therefore, the gates 15 of the superconducting transistors in the annular path 30 arranged in the row direction are commonly connected and controlled by the gate voltages vgO to νg+, respectively.

電流制御手段としては、まず電界効果トランジスタ42
が環状路30ごとに設けられ、同様に行方向に並ぶ8個
の電界効果トランジスタ42のゲートは共通接続されて
開閉指令SO〜Siによってそれぞれ制御される。別の
電流制御手段として、電界効果トランジスタ42を介し
て環状路30に書込データの内容に応した注入電流を与
えるために、列方向に並ぶ電界効果トランジスタ42に
共通にこの例では電子スイッチ43が設けられる。
First, as a current control means, a field effect transistor 42 is used.
are provided for each annular path 30, and similarly, the gates of eight field effect transistors 42 arranged in the row direction are commonly connected and controlled by opening/closing commands SO to Si. As another current control means, in order to apply an injection current to the annular path 30 according to the contents of the write data via the field effect transistor 42, an electronic switch 43 in this example is commonly used for the field effect transistors 42 arranged in the column direction. will be provided.

これら電子スイッチ43はごく小さな電流容量のトラン
ジスタやアナログスイッチであって、書込データの各ビ
ット−DO〜WD7の1.0の内容に応してオンオフ動
作し、この例では負の極性をもつ低圧の電源電圧Vdに
接続された抵抗61により設定される注入電流iaを電
界効果トランジスタ42を介して各環状路30に注入す
る役目を果たす。
These electronic switches 43 are transistors or analog switches with a very small current capacity, and are turned on and off according to the contents of 1.0 of each bit -DO to WD7 of the write data, and in this example, have negative polarity. It serves to inject an injection current ia into each ring path 30 via a field effect transistor 42, which is set by a resistor 61 connected to a low power supply voltage Vd.

この実施例での電流検出手段には、各環状路30に並列
接続された抵抗51と列方向に並ぶ抵抗51に共通に設
けられた増幅器52が用いられ、各抵抗51に流出電流
idが流れた際に生じる電圧降下を共通の増幅器52で
増幅して、その出力から読取データとしての各ビットR
[lO〜RD7の内容を得るようになっている。
The current detecting means in this embodiment uses an amplifier 52 provided in common to the resistors 51 connected in parallel to each annular path 30 and the resistors 51 arranged in the column direction, and the outflow current id flows through each resistor 51. A common amplifier 52 amplifies the voltage drop that occurs when
[The contents of IO to RD7 are obtained.

この実施例の超電導メモリの動作を示す第5図(a)〜
(f)では、図の左側に書込時の動作が、右側には読取
時の動作がそれぞれ示されている。なお、動作開始前に
は第4図のゲート電圧VgO−Vg7と開閉指令SO〜
Siはすべて0の状態に置かれているものとする。
FIGS. 5(a) to 5(a) show the operation of the superconducting memory of this embodiment.
In (f), the writing operation is shown on the left side of the figure, and the reading operation is shown on the right side. In addition, before starting the operation, the gate voltage VgO-Vg7 and opening/closing command SO~ shown in FIG.
It is assumed that all Si is set to 0.

まず、第5図(a)の時刻10に書込データを一斉に電
子スイッチ43に与えて、それらをデータ中の各ビット
の内容に応じたオンオフ状態に置く。この図では第4図
の書込データの各ピッ)WDO〜WD7が書込データW
Dで代表され、かつその内容が1である場合が示されて
いる。次に同図(b)の時刻t1に開閉指令SO〜St
の内の特定の開閉指令Sを与え、1行の上に並ぶ電界効
果トランジスタ42を一斉にオン動作させることにより
、対応する6上に並ぶ環状路30に注入電流iaを一斉
に与える。
First, at time 10 in FIG. 5(a), write data is applied to the electronic switches 43 all at once, and the electronic switches 43 are placed in an on/off state according to the content of each bit in the data. In this figure, each pin (WDO to WD7) of the write data in Fig. 4 is the write data W.
A case represented by D and whose content is 1 is shown. Next, at time t1 in the same figure (b), the opening/closing command SO~St
By giving a specific opening/closing command S among the above, and turning on the field effect transistors 42 arranged on one row all at once, the injection current ia is given all at once to the annular paths 30 arranged on the corresponding six.

ついで、第5図(C)の時刻t2に、第4図のゲート電
圧VgO〜Vg1中の上述の開閉指令Sに対応するゲー
ト電圧Vgを与えて、対応6上に並ぶ環状路30内の超
電導トランジスタを一斉に超電導状態に入れ、さらに第
5図(ロ)の時刻を−に開閉指令Sを切ることにより、
注入電流iaを行方向に並ぶ環状路30内に同図(d)
の永久電流jcとしてトラップさせる。
Next, at time t2 in FIG. 5(C), a gate voltage Vg corresponding to the above-mentioned opening/closing command S among the gate voltages VgO to Vg1 in FIG. By putting all the transistors into a superconducting state all at once and turning off the opening/closing command S at the time shown in Figure 5 (b),
The injection current ia is injected into the annular path 30 arranged in the row direction as shown in the figure (d).
is trapped as a persistent current jc.

これで書込データHDの環状路30内への記憶動作が終
わるので、同図(a)のように書込データ110を切っ
て書込動作を終了する。
This completes the operation of storing the write data HD into the annular path 30, so the write data 110 is cut off as shown in FIG. 2A to end the write operation.

=I? 前実施例と同様に、読取動作の際には第5図(C)の時
刻trにゲート電圧Vgを単に切るだけでよく、これに
より同図(ロ)のように永久電流icが消失すると同時
に電流検出抵抗51内に同図(e)の流出電流idが流
れる。この際、第1図の列方向に並ぶ電流検出抵抗51
中で、上述の開閉指令Sとゲート電圧Vgに対応する特
定の抵抗だけに電圧降下が発生するので、各列ごとに共
通に設けられた増幅器52はこの電圧を選択的に受け、
特定の行方向に並ぶ環状路30に記憶されていたビット
データを第5図(f)で読取データRDで示すように一
斉に出力する。
=I? As in the previous embodiment, during the reading operation, it is sufficient to simply turn off the gate voltage Vg at time tr shown in FIG. The outflow current id shown in FIG. 4(e) flows in the current detection resistor 51. At this time, the current detection resistors 51 arranged in the column direction in FIG.
Among them, since a voltage drop occurs only in a specific resistor corresponding to the above-mentioned opening/closing command S and gate voltage Vg, the amplifier 52 provided in common for each column selectively receives this voltage.
The bit data stored in the annular path 30 arranged in a specific row direction is output all at once as shown by read data RD in FIG. 5(f).

なお、この第5図(f)の読取データROは短パルス状
であるが、これをフリップフロップ等の手段で保持して
図の破線で示すように使いやすいデータとすることがで
きる。また、実施例では読取動作により環状路に記憶さ
れていたデータが消失してしまうことになるが、通常の
メモリの場合と同様に、必要に応じて読取データRDを
書込データWDとして再度書込動作を行なうことにより
記憶データを保全することができる。
Although the read data RO in FIG. 5(f) is in the form of short pulses, it can be held by a means such as a flip-flop to provide easy-to-use data as shown by the broken line in the figure. In addition, in the embodiment, the data stored in the circular path is lost due to the reading operation, but as in the case of a normal memory, the read data RD is rewritten as the write data WD if necessary. By performing the read operation, the stored data can be preserved.

18 以上説明した実施例に限らず、本発明は種々の態様で実
施をすることができる。例えば、実施例では各環状路に
設ける超電導トランジスタは1個としたが、これを例え
ば2個設けてゲート電圧による超電導状態と常電導状態
の切り換え態様を互いに異ならせることにより、実施例
よりも複雑なデータの書込動作や読取動作をさせること
ができる。例えば、書込データの内容に応じて環状路内
の永久電流の方向を切り換えたり、いわゆる5QUID
法を利用して永久電流によって環状路内にトラップされ
た磁束量子を検出して、記憶データを消失させずに読み
取ることができる。
18 The present invention is not limited to the embodiments described above, and the present invention can be implemented in various embodiments. For example, in the embodiment, one superconducting transistor is provided in each ring path, but by providing two superconducting transistors and making the mode of switching between the superconducting state and the normal conducting state by the gate voltage different from each other, it is possible to make the superconducting transistor more complicated than in the embodiment. It is possible to perform various data write and read operations. For example, the direction of the persistent current in the ring path can be switched depending on the content of the written data, or the so-called 5QUID
The method can be used to detect magnetic flux quanta trapped in the toroidal path by persistent currents and read stored data without erasing it.

また、電流検出手段も実施例では環状路に並列接続する
ようにしたが、これに限らず要は環状路からの流出電流
を検出できるようにこれと結合すれば足り、例えば上述
の5QUID法による磁束検出を利用する場合には、も
ちろんそれに適した接続ないし結合の態様をとる必要が
ある。第4図の本発明の適用例もあくまで例示であり、
場合に応した実用的な態様をとることができる。
Further, in the embodiment, the current detection means is also connected in parallel to the ring path, but the current detection means is not limited to this, and the point is that it is sufficient to connect the current detection means with this so that the outflow current from the ring path can be detected, for example, by using the above-mentioned 5QUID method. When using magnetic flux detection, it is of course necessary to use an appropriate connection or coupling mode. The example of application of the present invention shown in FIG. 4 is also just an example.
Practical aspects can be adopted depending on the situation.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の記載のとおり本発明では、ゲート制御により常電
導状態と超電導状態とに切り換え可能な電界効果形の超
電導トランジスタと、超電導トランジスタとそれを介し
て閉じられるように形成された超電導体からなる環状路
と、環状路への注入電流を制御する電流制御手段と、環
状路に接続された電流検出手段により超電導メモリを構
威し、データの書き込み時には、まず超電導トランジス
タを常電導状態にした後に電流制御手段によってデータ
の内容に応して制御された電流を環状路に注入し、つい
で超電導トランジスタを超電導状態に切り換えた後に電
流の注入を断つことによって注入電流を環状路内に永久
電流として記憶させ、データの読み取り時には、超電導
トランジスタを常電導状態に切り換えた時に環状路から
流出する電流を電流検出手段により検出し、その結果か
ら環状路内に永久電流として記憶されたデータ内容を読
み取るようにすることにより、次の効果を奏することが
できる。
As described above, the present invention includes a field-effect superconducting transistor that can be switched between a normal conductive state and a superconducting state by gate control, and a ring-like structure formed of a superconducting transistor and a superconductor formed so as to be closed through the superconducting transistor. A superconducting memory is constructed by a current control means for controlling the current injected into the annular path, and a current detecting means connected to the annular path. A current controlled by the control means according to the content of the data is injected into the annular path, and then the injection current is stored as a persistent current in the annular path by cutting off the current injection after switching the superconducting transistor to a superconducting state. When reading data, the current flowing out from the annular path when the superconducting transistor is switched to a normal conductive state is detected by the current detection means, and the data content stored as a persistent current in the annular path is read from the result. By doing so, the following effects can be achieved.

(a)1ビツトデータの記憶単位構造としての環状路を
最低1個の超電導トランジスタと超電導体だけで構成で
きるので、従来の多数個のジョセフソン接合を用いる場
合と比べてその構造を格段に簡単化できる。
(a) Since the circular path as a storage unit structure for 1-bit data can be constructed using only at least one superconducting transistor and superconductor, the structure is much simpler than the conventional case of using multiple Josephson junctions. can be converted into

(b)データが環状路内の永久電流の形で記憶され、し
かもこの環状路を閉じる超電導トランジスタに電界効果
形を用いるので、データの記憶期間中は超電導トランジ
スタに対するゲート電圧を維持するだけで済み、電力消
費を従来と比べて2〜3桁減少させることができる。
(b) Since the data is stored in the form of a persistent current in the ring path and a field effect type superconducting transistor is used to close this ring path, it is only necessary to maintain the gate voltage to the superconducting transistor during the data storage period. , power consumption can be reduced by two to three orders of magnitude compared to conventional methods.

(C)超電導トランジスタのゲート幅がサブミクロンサ
イズで、超電導体の寸法もこれに応じて縮小されるので
、1ビツトデータの記憶単位構造としての環状路を数〜
10−径程度のごく微小な面積内に作り込むことができ
る。
(C) Since the gate width of a superconducting transistor is submicron size, and the dimensions of the superconductor are also reduced accordingly, several circular paths can be used as a storage unit structure for 1-bit data.
It can be fabricated within a very small area of about 10-diameter.

(d)データを永久電流の形で記憶するので、データ記
憶が永久記憶であり、環状路の極低温条件が破れる等の
異常事態時を除いて記憶が消失するおそれが全くない。
(d) Since data is stored in the form of a persistent current, the data storage is permanent and there is no risk of the memory being lost except in abnormal situations such as when the extremely low temperature conditions of the ring road are broken.

=21==21=

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

図はすべて本発明に関し、第1図は本発明による超電導
メモリの1ビット分の構成例を示す構成回路図、第2図
はその動作を説明するための主な信号類の波形図、第3
図は電界効果形の超電導トランジスタの構造例の断面図
、第4図は本発明による多ピントの超電導メモリの構成
例の回路図、第5図はその動作を説明するための主な信
号類の波形図である。図において、 10:超電導トランジスタ、11:シリコン基板、12
.13 :拡散層、I4:ゲート酸化膜、15:超電導
トランジスタのゲート、20:超電導体、21:接続電
極膜、30:環状路、40:電流制御手段、41,42
 :電界効果トランジスタ、43:電子スイッチ、5o
:電流検出手段、51:電流検出抵抗、52:増幅器、
60:電流源、61:注入電流設定抵抗、ia:注入電
流、ib:環状路内を流れる注入電流、ic:永久電流
、・id:流出電流、RO,11110〜1107  
:読取データないしそのビット、S、SO〜Si:開閉
指令、tr:データ読み取り時刻、tll:データ書き
込み時刻、10〜22− t2: 時刻、 シg、vgi〜Vgi :超電導トランジスタ用 ゲ ト電圧、 1l WDO〜WD7 :書込データないしそ 3
All of the figures relate to the present invention; Figure 1 is a configuration circuit diagram showing an example of the configuration of one bit of a superconducting memory according to the present invention, Figure 2 is a waveform diagram of main signals to explain its operation, and Figure 3 is a waveform diagram of main signals.
The figure is a cross-sectional view of an example of the structure of a field-effect superconducting transistor, FIG. 4 is a circuit diagram of a configuration example of a multi-pin superconducting memory according to the present invention, and FIG. 5 is a diagram of main signals for explaining its operation. FIG. In the figure, 10: superconducting transistor, 11: silicon substrate, 12
.. 13: Diffusion layer, I4: Gate oxide film, 15: Gate of superconducting transistor, 20: Superconductor, 21: Connection electrode film, 30: Annular path, 40: Current control means, 41, 42
: Field effect transistor, 43: Electronic switch, 5o
: current detection means, 51: current detection resistor, 52: amplifier,
60: current source, 61: injection current setting resistor, ia: injection current, ib: injection current flowing in the annular path, ic: persistent current, id: outflow current, RO, 11110 to 1107
: Read data or its bit, S, SO to Si: Open/close command, tr: Data reading time, tll: Data writing time, 10 to 22-t2: Time, Sig, vgi to Vgi: Gate voltage for superconducting transistor, 1l WDO~WD7: Write data or 3

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] ゲート制御により常電導状態と超電導状態とに切り換え
可能な電界効果形の超電導トランジスタと、超電導トラ
ンジスタとそれを介して閉じられるように形成された超
電導体からなる環状路と、環状路への注入電流を制御す
る電流制御手段と、環状路に接続された電流検出手段と
を備えてなり、データの書き込み時には、まず超電導ト
ランジスタを常電導状態にした後に電流制御手段によっ
てデータの内容に応じて制御された電流を環状路に注入
し、ついで超電導トランジスタを超電導状態に切り換え
た後に電流の注入を断つことによって注入電流を環状路
内に永久電流として記憶させ、データの読み取り時には
、超電導トランジスタを常電導状態に切り換えた時に環
状路から流出する電流を電流検出手段により検出し、そ
の結果から環状路内に永久電流として記憶されたデータ
内容を読み取るようにした超電導メモリ。
A field-effect superconducting transistor that can be switched between a normal conducting state and a superconducting state by gate control, a ring path consisting of the superconducting transistor and a superconductor formed so as to be closed through the superconducting transistor, and an injection current into the ring path. and a current detection means connected to the annular path. When writing data, the superconducting transistor is first brought into a normal conducting state and then controlled by the current control means according to the content of the data. The injected current is stored as a persistent current in the ring path by injecting a current into the ring path, then switching the superconducting transistor to the superconducting state and cutting off the current injection, and when reading data, the superconducting transistor is placed in the normal conducting state. A superconducting memory in which a current flowing out from the annular path is detected by a current detection means when switching to the annular path, and data content stored as a persistent current in the annular path is read from the result.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004533061A (en) * 2001-06-01 2004-10-28 ディー−ウェイヴ システムズ インコーポレイテッド Quantum processing system for superconducting phase qubit

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