Entwurf und Realisierung neuartiger Schaltungskonzepte mit Resonanztunneldioden

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Elektronische Bauelemente mit quantenmechanischen Wirkungsprinzipien beinhalten vielversprechendes Anwendungspotential für den Einsatz in der Telekommunikation. Durch konsequente Miniaturisierung stoßen gewöhnliche integrierte Bauelemente in physikalische Bereiche vor, in denen quantenphysikalische Effekte wie das Durchtunneln von energetischen Barrieren immer mehr an Bedeutung gewinnen.
Die Resonanztunneldiode steht in dieser Arbeit im Fokus der Untersuchungen. So sind die physikalischen Grundlagen des quantenmechanischen Tunnelns durch eine InGaAs/InAlAs-Doppelbarrierenstruktur genau beschrieben und die analytische Modellbildung des Halbleiterbauelements für Schaltungssimulationen mit CAD Programmen hergeleitet.
Die wissenschaftlichen Untersuchungen umfassen dabei die experimentelle Charakterisierung der Kleinsignalparameter des Bauelements von Raumtemperatur bis hin zu kryogenen Temperaturen mittels Hochfrequenzmessungen an einem umgebauten Streuparametermessplatz. Lineares und nichtlineares Übertragungsverhalten wird mittels einer Vielzahl von verwendeten Messinstrumenten untersucht und mit den theoretisch berechneten Werten verglichen. Es wird insbesondere eine neue Messtechnik eingeführt, die eine experimentelle Bestimmung der Ersatzschaltbildelemente mit deutlich höherer Genauigkeit zulässt als mit konventionellen Techniken bislang möglich ist. Aus den Ergebnissen wird ein flächenskaliertes Großsignalmodell für die CAD Anwendung entwickelt, das sämtliche auftretenden nichtlinearen Effekte beschreibt.
Der zweite Teil der Arbeit zeigt möglich Schaltungsanwendungen der Bauelemente anhand der entwickelten CAD Modelle auf, und konzentriert sich insbesondere auf die Erzeugung von schnellen Pulsen für die Ultra-Wideband (UWB) Kommunikation, die im Bereich zwischen 3 und 10 GHz zur drahtlosen Telekommunikation verwendet werden. Dabei werden neue Schaltungskonzepte vorgestellt, die mittels weniger Bauelemente eine volle Funktionalität zur Pulserzeugung und Modulation in beliebigen Pulswiederholraten und Pulsbreiten im Sub-Nanosekundenbereich bereitstellen. Im Rahmen der experimentellen Verifizierung der theoretischen Ergebnisse konnten Datenraten bis hin zu 13.2 GBit/s mit dem hergestellten Pulsgenerator erfolgreich nachgewiesen, und das Potential für noch höhere Frequenzen aufgezeigt werden.