什么是约瑟夫逊隧道逻辑元件?

[拼音]：Yuesefuxun suidao luoji yuanjian

[外文]：Josephson tunnel logic

由约瑟夫逊隧道结构成的逻辑元件。利用约瑟夫逊隧道结的I-U 特性，在电流或磁场作用下，使结从一个零电压状态转变到另一个有电压状态以实现逻辑功能。与半导体逻辑元件相比，它具有开关速度快(可达10皮秒)和功率损耗小（约1微瓦）的优点，而且有利于高密度集成。

约瑟夫逊隧道结由两层超导铌或铝合金薄膜中间夹一层厚度只有10～20埃的氧化层势垒所构成。其中，关键性的氧化层常由自身金属的热氧化或等离子放电形成。图1为带有负载的约瑟夫逊隧道结的I-U 特性。Ic为结的临界电流。当通过结的电流大于Ic时，结两端的电压从U＝0状态转变到U厵0状态。这就是过电流驱动方式。如果给定的结电流（门电流）Ig小于Ic，这时隧道结处于超导态，通过控制线A和B施加磁场，使结的临界电流减小到低于Ig值，工作点沿负载线落到准粒子隧道特性曲线上而出现一个有电压状态。这就是感应控制驱动方式。图2为约瑟夫逊结的等效电路。作为逻辑元件的约瑟夫逊结，应该有足够大的回滞，使结在转变到能隙电压值(2墹/e)以下的电压态时，只有很小的电流流过。这样，对负载可以提供足够的电流输出。在这种逻辑电路中，随负载情况的改变可以得到三种不同的工作模式：

（1）对于负载大于RL时，在转变后即使去掉控制电流，电压态仍继续保持，这就是锁定模式；

（2）当负载值介于RL和Rm之间时，在去掉控制电流后会复位到零电压状态，这种情况称为非锁定模式；

（3）当负载小于Rm时，隧道结会自行回复零电压态，而与控制电流无关，这种不稳定的I-U 特性称为自复位模式。

单结的逻辑功能可以由超导量子干涉器件（在超导环中串联一个或多个约瑟夫逊结）来代替。超导量子干涉器件有很高的磁场灵敏度，通过几何参数的设计可以做到用很小的电流来控制开关过程。典型的逻辑电路是电流注入逻辑电路(CIL)，包括感应耦合电路和直接耦合电路。感应耦合电路实现输出电路与驱动电路之间的隔离；直接耦合电路允许较大的容限。

利用约瑟夫逊隧道结可以构成基本的“与“门和“非“门电路，并由此设计出各种逻辑电路和触发器、移位器和加法器等。