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Hörnel, Nicolas (2002): Physikalische Ursachen und Wirkung von Rauschquellen in Sperrschicht -Feldeffekttransistoren. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

In dieser Arbeit werden die Rauschquellen in Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) eingehend auf ihre Ursachen und Wirkungsweise untersucht. Das Rauschverhalten von JFETs wirkt sich beispielsweise in Halbleiter-Detektor-Verstärker-Systemen auf die Energieauflösung solcher Systeme aus, in denen JFETs aufgrund ihres geringen Rauschens oft als erste Verstärkungsstufe eingesetzt werden. Diesbezüglich wird eine Methode entwickelt, mit Hilfe derer aus Rauschmessungen an JFETs die Energieauflösung eines einfachen spektroskopischen Systems berechnet werden kann, in das der vermessene Transistor als erste Verstärkungsstufe eingebaut ist. Außerdem wird gezeigt wie aus temperaturabhängigen Rauschmessungen auf die Eigenschaften von Kristalldefekten in Halbleitern geschlossen werden kann. Im theoretischen Teil der Arbeit werden zuerst grundlegende Rauschmechanismen in Halbleitern beschrieben wie sie auch in JFETs auftreten. Auf die Herleitungen der Rauschspektren des thermischen Rauschens, des Diffusionsstrom-Rauschens, des Generations-Rekombinations-Rauschens und des „Random-Telegraph-Signal“-Rauschens (RTS-Rauschen) wird ausführlich eingegangen. Das RTS-Rauschen kommt durch den Einfang und die Emission von freien Ladungsträgern in/aus Kristalldefekte(n) hinein/heraus. Die Abhängigkeiten des RTS-Rauschens von der Lage des Kristalldefekts im Bauelement und den Eigenschaften des Kristalldefekts selbst werden detailliert analysiert. An den Beispielen eines Widerstandes und eines JFETs wurden Simulationen durchgeführt, mit Hilfe derer der Einfluß einzelner Kristalldefekte auf das Rauschverhalten des jeweils betrachteten Bauelements bestimmt werden kann. Im experimentellen Teil der Arbeit werden Messungen an verschiedenen JFETs vorgestellt, in denen das Rauschen in Abhängigkeit von der Frequenz und der Temperatur aufgenommen wurde. Auf die angeführten Rauschmessungen wird die oben erwähnte Methode angewendet, mit Hilfe derer man die Energieauflösung eines einfachen spektroskopischen Systems berechnet werden kann, in das der vermessene Transistor als erste Verstärkungsstufe eingebaut ist. Dadurch gewinnt man ein Bild vom Verhalten des betrachteten spektroskopischen Systems in Abhängigkeit von der Temperatur und der Filterzeit eines in das System integrierten Filters, der zur Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses dienen sollte. Daraufhin wird exemplarisch am Beispiel eines rauscharmen JFETs gezeigt, wie man anhand von Rauschmessungen die Eigenschaften und die Lage von Kristalldefekten bestimmen kann. Zum Abschluß der Arbeit werden noch Wiederholungsmessungen an einem Bauelement widergegeben, bei denen sich das Rauschverhalten von sogenannten multistabilen Kristalldefekten manifestierte. Multistabile Defekte sind Kristalldefekte, die nicht nur eine stabile sondern mehrere mögliche Konfigurationen im Kristallgitter besitzen. Übergänge zwischen den verschiedenen Zuständen können durch verschiedene Einflüsse wie z.B. durch die Temperaturbehandlung während einer Rauschmessung zustande kommen.