Faltungs- und Interpolations-Analog/Digitalumsetzer mit verteiltem Quantisierer

Die Verfügbarkeit kommerzieller Analog/Digital-Umsetzer (A/D-Umsetzer), die für Radaranwendungen geeignet sind, ist eingeschränkt, da Radaranwendungen nationalstaatliche Interessen betreffen. Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen, liegt in der Entwicklung eines eigenen A/D-Umsetzers. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Charakterisierung eines A/D-Umsetzers laut einer vorgegebenen Spezifikation. Nachdem in Kapitel 1 die grundlegenden Eigenschaften eines A/D-Umsetzers erklärt wurden, wird das Prinzip der Faltung und Interpolation (F/I) eingeführt. Danach wird die Spezifikation anhand eines Vergleichs mit veröffentlichten F/I-A/D-Umsetzern diskutiert. Der Vergleich dient als Grundlage für Entscheidungen, die hinsichtlich der Architektur getroffen werden müssen. Kapitel 2 konzentriert sich auf die Systemebene. Es beschäftigt sich mit Zusammenhängen zwischen erreichbarer Linearität und Auflösung des A/D-Umsetzers einerseits und Schaltungstopologien, deren Dimensionierung und physikalischen Effekten andererseits. Das Hauptkapitel besteht aus der eingehenden Untersuchung des implementierten A/D-Umsetzers. Hierzu wird jeder analoge Block auf Schaltplanebene erklärt. Alternative Schaltungstopologien werden diskutiert, sodass getroffene Entscheidungen nachvollzogen werden können. Wegen der Eigenart des Quantisierungsprozesses wird ein spezieller Auswertungsalgorithmus entwickelt, der die Anforderungen an die Schnittstelle zwischen Analog- und Digitalteil relaxiert. Die logischen Funktionen des Algorithmus werden auf Schaltplanebene transferiert, um den Digitalteil zu erhalten. Chip-interne Maßnahmen zur einfacheren Charakterisierung des A/D-Umsetzers werden erklärt, gefolgt von der Beschreibung der Platine zur Auswertung und dem Messaufbau. Der erste Teil des Kapitels 5 beschreibt die Simulationsbedingungen und untersucht per Simulation Störeinflüsse, die Auswirkungen auf die Kenndaten des A/D-Umsetzers haben. Der zweite Teil besteht aus diversen Messreihen. Abschließend werden Simulations- und Messergebnisse verglichen, gefolgt von einem Vergleich der erzielten Ergebnisse mit dem Stand der Technik. Eine abschließende Zusammenfassung hebt die hervorragenden Ergebnisse dieser Arbeit noch einmal hervor

BOUNCE: On-Chip Signalleitungen als Basis digitaler Zeitmessung

Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung eines technischen Zeitmesssystems, das zeitliche Auflösungen von 30 ps erreicht. Das System basiert dabei auf einem neuartigen Konzept, welches die Signalverzögerung auf internen Leitungen integrierter Schaltkreise ausnutzt. Dieses Konzept trägt den Namen BOUNCE. Die durchgeführten Experimente zeigen, dass ein Prototyp des BOUNCE-Konzepts eine zeitliche Auflösung von 4,2 ps bei einer Genauigkeit von +/-10 ps für die Mehrfachmessung erreicht. Die theoretische Auflösung des Systems ist unbegrenzt, da sie nicht von Gatterlaufzeiten abhängt.This thesis discusses a new time measurement system, called BOUNCE, and is based on the delay of electromagnetic signals on the internal wirings of integrated circuits. A significant feature of BOUNCE is that it can be implemented on cheap, of-the-shelf standard hardware. In the experiments, a prototype was already able to yield a time resolution of 4.2 ps at a precision of +/- 10 ps. Further considerations indicate that the obtained resolution of 4.2 ps is not a limit, since the resolution does not depend on gate delays and/or the on-chip package density of active elements

Charakterisierung von organischen Solarzellen an einem neu aufgebauten Laser-basierten DSR-Messplatz

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) unterstützt vielfältig die Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft. Eine ihrer Kernkompetenzen als das nationale Metrologie-Institut der Bundesrepublik Deutschland ist die Messtechnik. In diesem Sinne kalibriert die Arbeitsgruppe „Solarzellen“ der PTB i. d. R. den Kurzschlussstrom unter Standardtestbedingungen (I_STC) von Referenzsolarzellen. Der I_STC von Referenzsolarzellen ist in Photovoltaik-Kalibrierketten bei der Bestimmung der Bestrahlungsstärke von zentraler Bedeutung und fließt signifikant in die Berechnung der Wirkungsgrad von Solarzellen und Solarmodulen ein. Um den I_STC einer Solarzelle mit geringster Messunsicherheit zu bestimmen, wurde die Differential Spectral Responsivity (DSR)-Methode verwendet. Sie basiert auf der Messung der differentiellen spektralen Empfindlichkeit bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken. Anhand dieser kann die absolute spektrale Empfindlichkeit s(λ) unter Standardtestbedingungen sowie der I_STC berechnet werden. Da jedoch die Umgebungsbedingungen meistens von den STC abweichen, reichen letztere nicht zum umfassenden Vergleich der Wirkungsgrade in der Praxis aus. Um Einflussfaktoren (Temperatur, Bestrahlungsstärke, Winkelabhängigkeit,...) genauer untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit an der PTB ein neuer Laser-basierter DSR-Messplatz aufgebaut und charakterisiert. Mit dem neuen Messplatz wurden c-Si Referenzsolarzellen, organische Solarzellen auf Basis kleiner Moleküle sowie Farbstoffsolarzellen umfassend untersucht. Unter anderem wurden die elektrischen Leistungsparameter einer organischen Solarzelle (aktive Schicht: DCV5T-Me:C60) mit denen einer c-Si Solarzelle verglichen. Es zeigt sich, dass der Wirkungsgrad der organischen Solarzelle mit zunehmender Bestrahlungsstärke sinkt und mit zunehmender Temperatur steigt, während die c-Si Solarzelle ein gegensätzliches Verhalten aufweist. Darüber hinaus wurde u.a. die Winkelabhängigkeit der zweiten organischen Solarzelle (aktive Schicht: C60:DCV5T-Me(3,3)) untersucht und mit den Resultaten einer c-Si Solarzelle verglichen. Diese Untersuchungen haben ergeben, dass die Winkelabhängigkeit des Kurzschlussstroms der organischen Solarzelle im Vergleich zu einer c-Si Solarzelle insbesondere zwischen 20° < ϑ < 60° eine „Super-Kosinus-Anpassung“ aufweist. Ergänzend wurde an der PTB im Rahmen dieser Arbeit ein mobiler Messplatz für Outdoormessungen aufgebaut. Mit diesem konnten die mittels Indoor-Untersuchungen erhaltenen spektralen Empfindlichkeiten mit Outdoor-Messungen verglichen werden. Des Weiteren wurden spektrale Charakterisierungen der Himmelshalbkugel durchgeführt und Methoden für Korrekturen von Sekundärkalibrierungen untersucht

Konzeption, Aufbau und Inbetriebnahme eines neuen Vorbeschleunigersystems an ELSA

An der Elektronen-Stretcher-Anlage ELSA des Physikalischen Instituts der Universität Bonn werden Doppelpolarisationsexperimente zur Untersuchung der Struktur der Baryonen im Rahmen des transregionalen Sonderforschungsbereichs SFB/TR 16 durchgeführt. Zukünftig sollen für diese Experimente höhere extrahierte Strahlströme bei einem gleichbleibenden Tastverhältnis zur Verfügung gestellt werden. Zu diesem Zweck soll der Strom der zu beschleunigenden Elektronen im Stretcherring von ELSA auf bis zu 200 mA erhöht werden. Zur Stromerhöhung sind jedoch Studien zu den Strahlinstabilitäten im Stretcherring notwendig. Um diese Studien möglich zu machen, wurde ein neuer Injektor konzipiert, welcher die Betriebsmöglichkeiten der Beschleunigeranlage um einen Single Bunch–Modus erweitert.Weiterhin sieht das Konzept einen Langpuls–Modus mit hohen Strömen unpolarisierter Elektronen vor, um einen hohen Injektionsstrom in den Stretcherring zu gewährleisten. Es wurde ein Injektor entwickelt, der auf Basis einer Kathode mit einer kleinen Emissionsfl äche und einem effizienten Bunching eine weitestgehend verlustfreie Beschleunigung der Elektronen im Linearbeschleuniger ermöglicht. Das in der Strahlführung folgende Energie-Kompressor-System soll die Energiebreite des Elektronenstrahls von circa 5% auf die maximal zulässige Energiebreite von 0,5% bei der Injektion ins nachfolgende Booster-Synchrotron reduzieren. Danach wird der Elektronenstrahl zur Injektion ins Synchrotron durch die Optik des Transferweges an die Akzeptanz des Synchrotrons angepasst.Wahlweise kann auch der Strahl zu einem Bestrahlungsplatz geführt werden, an dem mit einer hohen Flexibilität hinsichtlich der Eigenschaften des Elektronenstrahls Bestrahlungen durchgeführt werden können. Die prinzipielle Funktionsfähigkeit konnte im Jahre 2010 während der ersten Inbetriebnahme des neuen Vorbeschleunigersystems bis hin zum Bestrahlungsplatz gezeigt werden. Darüber hinaus gelangen erfolgreich erste Bestrahlungen von Ammoniak als Targetmaterial für das COMPASS-Experiment und von Detektorkomponenten für das MPI Halbleiterlabor München und die SILAB DEPFET-Gruppe des physikalischen Instituts der Universität Bonn. In dieser Arbeit werden der Entwurf, die Weiterentwicklung, der Aufbau und die Inbetriebnahme sowie erste Nutzerbetriebe vorgestellt

Design und Realisierung eines hochgradig modularen Messsystems zur Fourier-Impedanzspektroskopie an Gassensoren auf Halbleiterbasis

Jüngere Forschungsarbeiten lieferten tiefere Einblicke in die Funktionsweise von halbleiterbasierten Gassensoren. Es zeigte sich, dass sowohl der temperaturzyklische Betrieb wie auch die Impedanzspektroskopie sowie die Kombination beider Verfahren signifikante Aussagen zur Interpretation der Messwerte liefert. Dazu sind zusammenhängende Frequenzbereiche von drei bis vier Dekaden bei präzisen Temperaturvorgaben zu erfassen. Je nach Sensortyp beginnt der Bereich bei wenigen Hz oder gar mHz und kann sich bis in den unteren MHz Bereich erstrecken, bei Temperaturwerten der Sensorschicht bis zu mehreren hundert Grad Celsius. Zur Einhaltung stationärer Messbedingungen ist die Minimierung der Messzeit zur Aufnahme eines Impedanzspektrums eine wichtige Anforderung. Insbesondere gilt dies für die thermisch sehr schnellen MEMS-Sensoren. Somit sind fourierbasierte Messverfahren die erste Wahl. Da marktübliche Geräte hier die Gesamtheit der individuellen Anforderungen nicht optimal abbilden, wurde ein applikationsspezifisches Messsystem (FobIS) realisiert. Der Text führt von den theoretischen Grundlagen der Fourier-Impedanzspektroskopie über die konkrete Systementwicklung hin bis zur Verifikation der Leistungsdaten. Hohe Flexibilität hinsichtlich der Messaufgabe und die Möglichkeit der modularen Funktionserweiterung kennzeichnen das System, welches, speziell zugeschnitten auf die Besonderheiten halbleiterbasierter Gassensorik, umfassende Messmöglichkeiten bereitstellt.Recent research work on semiconductor based gas sensor devices revealed a deeper insight in understanding and interpretation of measurement results. It was shown that temperature-cycled sensor operation, electrical impedance spectroscopy as well as the combination of both techniques is well suited to yield important information about the sensor's health status, and is able to improve the evaluation of the measurements, especially with regard to selectivity and aging. Depending on the sensor's architecture a frequency range of several decades from below some few Hertz, even mHz, up to the lower MHz range has to be covered. In parallel a precise dynamic temperature control in different ranges up to some hundreds degrees Celsius has to accompany the measurement. Especially temperature-cycled investigations on MEMS devices with their very speedy thermal behaviour make necessary the high-speed capturing of the sensor's impedance. The most adequate technique to fulfill this task is Fourier spectroscopy. Unfortunately, commercially available equipment is not always well suited to cover these specific requirements. That is the reason why a Fourier based equipment for impedance spectroscopy (FobIS) was designed and realized as well as the achieved overall performance data were checked. Customized for the measurement requirements in conjunction with semiconductor based gas sensors, the design is highly modular and offers a wide range of flexibility under various measurement conditions

Entwicklung von Cs 2 Te Photokathoden für UV-Detektoren

Das Ziel vieler wissenschaftlicher Untersuchungen ist die Messung des Lichtspektrums eines astronomischen Objekts, um daraus Rückschlüsse auf seine chemische Komposition und makroskopische Eigenschaften wie Masse, Ausdehnung, Temperatur und Abstand zur Erde zu ermitteln. Für astronomische Beobachtungen im ultravioletten Bereich werden zudem Satelliten benötigt, da die Erdatmosphäre einen Großteil der auftreffenden Strahlung absorbiert. Am Institut für Astronomie und Astrophysik Tübingen (IAAT) wird daher basierend auf den Erfahrungen mit früheren Instrumenten, namentlich das Orbitale und Rückführbare Fern- und Extremultraviolett Spektrometer (ORFEUS) von 1990, ein photonenzählender, ortsauflösender Mikrokanalplattendetektor für den Einsatz in einem Spektrographen entwickelt. Diese Entwicklung wurde ursprünglich durch die potentielle Teilnahme an einem russisch-deutschen Gemeinschaftsprojekt, dem World Space Observatory (WSO/UV), angestoßen und wird seit 2013 durch das deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt als allgemeine Detektorentwicklung gefördert. Wird ein Spektrograph eingesetzt, spaltet dieser das aufgefangene Licht entsprechend seiner Wellenlänge räumlich auf und leitet es auf den Detektor, der nur noch den Ort der auftreffenden Photonen messen muss. Unser Detektor besteht daher aus einer Photokathode, mehreren Mikrokanalplatten und einer Anode. Die Photokathode wandelt ein einzelnes auftreffendes Photon in ein Elektron um, das von den Mikrokanalplatten vervielfältigt wird, sodass eine Elektronenwolke auf die Anode trifft. Dort wird der Ladungsmittelpunkt der auftreffenden Ladungswolke bestimmt und daraus die Ursprungsposition des Photons errechnet und in Kombination mit dem Wissen um die Aufspaltung im Spektrographen ist damit die Wellenlänge des ursprünglichen Photons bekannt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung der Photokathoden für den Detektor. Im Zuge dessen wurde ein neuer Versuchsaufbau in Betrieb genommen und für die Herstellung von Cäsiumtellurid-Photokathoden optimiert. In der vorliegenden Arbeit werden im ersten Kapitel die Grundlagen von Detektoren für UVAnwendungen mit Schwerpunkt auf den verwendeten Mikrokanalplattendetektoren beschrieben und die technischen Herausforderungen am Beispiel von ORFEUS und anderen UV-Instrumenten herausgearbeitet. Zusätzlich werden das Detektorkonzept, das am IAAT entwickelt wurde, sowieder aktuelle Stand der Entwicklung vorgestellt. Im zweiten Kapitel wird ein Überblick über die theoretische Funktionsweise von Photokathoden geliefert, sowie exemplarisch an drei relevanten Materialien erörtert, die ebenfalls potentiell in unserem Detektor eingesetzt werden sollen. Der Schwerpunkt liegt auf den Eigenschaften von Cäsiumtellurid, da es als besonders zuverlässig gilt. Im dritten Kapitel werden der vorhandene Versuchsaufbau im Detail beschrieben, sowie die Änderungen, Optimierungen und Probleme skizziert, die im Laufe der letzten vier Jahre auftraten. Anschließend werden mögliche Verbesserungen und Änderungen aufgezeigt, die in nächster Zeit implementiert werden sollen und eine weitere Verbesserung der Ergebnisse versprechen. Weiterhin werden die Versuche zu Germaniumschichten auf geschlossenen Anoden angesprochen und die technische Realisierung beschrieben. Im vierten Kapitel wird der zeitliche Ablauf der Arbeit skizziert, die gefundene Standardprozedur zur Herstellung von Cäsiumtellurid-Photokathoden beschrieben und die dazu gehörigen Messergebnisse vorgestellt. Es werden die Versuche an kalten und warmen Substraten, sowie die neuesten Erkenntnisse von Photokathoden auf einer zusätzlichen leitenden Metallschicht vorgestellt. Insgesamt wird mit dieser Arbeit die Grundlage für die Herstellung von Photokathoden für den Einsatz in unserem Detektor gelegt und deren Erfolg durch erste vielversprechende Proben belegt

Das physikalische Praktikum: Handbuch 2016/2017 für Studentinnen und Studenten der Physik ; Band 2. Band 2. Handbuch 2016/2017 für Studentinnen und Studenten der Physik : mit 35 Abbildungen und 14 Tabellen / Jörn Große-Knetter und Peter Schaaf

Das Handbuch 2016/2017 ist die "Anleitung" zum Physikpraktikum für Studentinnen und Studenten der Physik an der Georg-August-Universität Göttingen. Das Praktikum für den Bachelor of Science im Fach Physik wird begleitend zu den Vorlesungen Experimentalphysik I…IV durchgeführt und umfasst insgesamt 25 Versuche. Das inhaltlich ähnliche Grundpraktikum für den Zwei-Fächer-Bachelor umfasst insgesamt 15 Versuche. Dieser Band behandelt 14 Versuche zu den Themen Wellen, Optik und Quantenphysik

Struktur innerer Grenzflächen von (GaIn)(NAs)-Heterostrukturen und Eigenschaften von (GaIn)(NAs)-Laserdioden

Das Themengebiet der Arbeit war die Herstellung und Untersuchung von Halbleiterheterostrukturen und Laserbauelementen auf der Basis des neuartigen Materialsystems (GaIn)(NAs). Die Proben wurden mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) unter Verwendung der Quellen Tertiärbuthylarsin (TBAs), 1,1-Dimethylhydrazin (UDMHy), Triethylgallium (TEGa) und Trimethylindium (TMIn) bei Wachstumstemperaturen von 525°C und einem Reaktordruck von 50mbar hergestellt. Als Substrat wurde exakt orientiertes (100)-GaAs benutzt. Es handelt sich bei (GaIn)(NAs) um ein metastabiles Materialsystem, bei dem komplexe Wechselbeziehungen zwischen den Wachstumsparametern bestehen. Die Proben wurden mit zahlreichen experimentellen Methoden analysiert, von denen einige im Rahmen dieser Arbeit neu geschaffen wurden. Die Arbeit weist zwei Schwerpunkte auf: Zum einen wurde die Struktur und die Strukturentwicklung von (GaIn)(NAs)-Heterostrukturen untersucht. Das Interesse lag dabei besonders auf der Gestalt von inneren, d.h. im Kristall eingebetteten Heterogrenzflächen und deren Einfluss auf die elektronischen Probeneigenschaften. Zum anderen wurden aufgrund der technologischen Relevanz Laserbauelemente auf (GaIn)(NAs)-Basis hergestellt und analysiert, die in der Nähe von 1300nm emittieren. Für die strukturellen Untersuchungen von inneren Halbleitergrenzflächen wurde eine neuartige Methode entwickelt. Durch die Kombination von höchstselektiven Ätzen und nachfolgender Rasterkraftmikroskopie ermöglicht sie die Beobachtung von dynamischen Strukturbildungsvorgängen auf inneren Grenzflächen mit einer Zeitauflösung von einer Sekunde bei subatomarer Höhenauflösung und einer lateralen Auflösung von ca. 20nm. Man erhält dreidimensionale Aufnahmen realer innerer Grenzflächen. Die Funktionsweise und die Funktionstüchtigkeit des Verfahrens wurden ausführlich für die Materialsysteme AlAs/GaAs, AlAs/(GaIn)As, AlAs/Ga(NAs) und AlAs/(GaIn)(NAs) demonstriert. Die Materialsysteme GaAs, (GaIn)As und Ga(NAs) zeigen unter optimierten Wachstumsbedingungen zweidimensionales van-der-Merwe-Wachstum. In Wachstumsunterbrechungen glätten die Wachstumsoberflächen aus, und es bilden sich glatte, eine-Monolage-hohe Terrassen aus. Für die zeitliche Entwicklung von charakteristischen Strukturgrößen (hier: von Inseldurchmessern) wurde ein Potenzgesetz der Form d=C*t^g gefunden. Es beschreibt quantitativ die Strukturentwicklung über mehr als zwei Größenordungen. (GaIn)(NAs)-Quantenfilme (x[In]=30%, y[N]<3%) zeigen dagegen ein zweidimensionales Inselwachstum. In Wachstumsunterbrechungen (nur unter TBAs-Stabilisierung) rauen die Grenzflächen auf und zeigen eine neuartige, nicht kontinuierliche Strukturentwicklung, die nach einer kritischen Unterbrechungszeit das gesamte Quantenfilmmaterial involviert. Es handelt sich dabei nicht um eine Phasenseparation (die monokristalline kubische Ordnung bleibt erhalten), und die Effekte sind unabhängig von der makroskopischen Verspannung des Materials. Eine Stabilisierung mit UDMHy während der Wachstumsunterbrechung verlangsamt bzw. unterbindet die beschriebenen Phänomene. (GaIn)(NAs) zeigt nicht nur eine ungewöhnliche Strukturbildung selbst, es verändert auch die Wachstumsmodi der anderen Materialien in einer Heterostruktur. So wird durch die Einbettung von (GaIn)(NAs)-Quantenfilmen die Wachstumscharakteristik von Ga(N)As-Barrieren wesentlich beeinflusst. Die Strukturbildungsphänomene wurden auf lateral inhomogene Verspannungsfelder im aktiven Material zurückgeführt. Die strukturellen Eigenschaften haben Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der Proben und auf die Leistungsfähigkeit von Bauelementen. Um die Wachstumsparameter von (GaIn)(NAs) mit Bauelementeigenschaften korrelieren zu können, wurden systematisch (GaIn)(NAs)-Laserdioden in Breitstreifengeometrie untersucht. Als ein wesentlicher Faktor für die Qualität der Laserdioden hat sich herausgestellt, dass das Wachstum der aluminiumhaltigen Mantelschichten und der stickstoffhaltigen aktiven Zone in zwei getrennten Anlagen durchgeführt wird. Weiterhin wurde eine starke Korrelation der Schwellstromdichte von (GaIn)(NAs)-Laserdioden und dem Kohlenstoffgehalt in der aktiven Region gefunden, der mittels SIMS bestimmt wurde. Der Zusammenhang ist über mehr als zwei Größenordnungen gültig. Die Art und der physikalische Verlustmechanismus des Kohlenstoffdefekts sind Gegenstand aktueller Forschung. Die Prozesstechnologie für Breitstreifenlaserdioden sowie der Aufbau eines leistungsfähigen, gepulstes Messplatzsystems für Breitstreifenlaserbarren wurden im Anhang der Arbeit detailliert beschrieben (100ns Pulsbreite, bis zu 4A Pulshöhe)