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Publication Type: search.filters.UBSTyp.DissertationSubject: search.filters.subject.621.3Start date: 2017End date: 2019

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    Organische Dünnschichttransistoren mit gedrucktem Halbleiter für Schaltungen und Anzeigen
    (2019) Strecker, Michael; Frühauf, Norbert (Prof. Dr.-Ing.)
    Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung von organischen Dünnschichttransistoren mit gedrucktem Halbleiter für Anwendungen der gedruckten Elektronik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Abscheidung organischer Halbleiterlösungen durch Tintenstrahldruck, während die Abscheidung und Strukturierung der übrigen Metallisierungen auf vorwiegend konventionellen Dünnschichtprozessen basieren. Entsprechend potentieller Einsatzmöglichkeiten gedruckter Elektronik wurde die Entwicklung an einen energiesparenden Betrieb ausgerichtet. Als Halbleiter wurden daher Lösungen aus einem Polymer (p-Typ) und einem Perylendiimid-Derivat (PDI, nTyp) eingesetzt, mit dem Ziel eines kompatiblen Prozesses zum Einsatz der Transistoren in komplementären Ansteuerschaltungen und Anzeigen. Ein niedriges Spannungsniveau wurde durch ein dünnes, anodisiertes Dielektrikum mit hohem Kapazitätsbelag realisiert. Die Halbleiter wurden vor allem hinsichtlich ihrer Verdruckbarkeit, der morphologischen Eigenschaften und des daraus resultierenden elektrischen Verhaltens der Transistoren untersucht. Eine zentrale Erkenntnis ist, dass die Halbleiter sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Stoffeigenschaften in der Verarbeitbarkeit durch den Druckprozess erheblich unterscheiden. Der Polymerhalbleiter zeichnet sich durch ein im Wesentlichen unproblematisches Benetzungsverhalten, robuste Prozessierbarkeit und vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit µ ≈10−3cm2V−1s−1 aus. Dagegen sind das Benetzungsverhalten und die Morphologie des PDI-Derivats stark vom gewählten Lösemittel abhängig. Die Morphologie variiert von körnigen, diskontinuierlichen Filmen mit amorpher Struktur (o-DCB, Tetralin) bis hin zu ebenen, polykristallinen Filmen (Dimethylphthalat, DMP). Entsprechend variiert die erzielte Ladungsträgerbeweglichkeit typischerweise von µ≈10−4cm2V−1s−1 bis µ≈10−1cm2V−1s−1. In allen Fällen zeichnet sich der Nassfilm durch eine ausgeprägte Spreitung aus. Während die Trocknung bei Lösungen aus o-DCB und Tetralin innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen ist, dauert dies bei DMP aufgrund des niedrigen Dampfdrucks mehrere Minuten. Die endgültige Lage des Halbleiters kann dabei weder vorhergesagt noch kontrolliert werden, da es während der Trocknung zur willkürlichen Wanderung des Nassfilms relativ zu den bedruckten Transistorstrukturen kommt. Daher waren technologische Maßnahmen erforderlich, um die Lokalisation des Halbleiters reproduzierbar sicherzustellen. Hierzu wurden zwei Ansätze untersucht. Einerseits erfolgte die Lokalisation durch lokal modulierte Oberflächenspannungen mithilfe von strukturierten, selbstorganisierenden Monolagen mit hydrophobem Charakter. Dieser Prozess eignet sich auch zur Lokalisierung des Polymerhalbleiters, falls eine erhöhte Integrationsdichte erforderlich ist. Für das PDI-Derivat hat sich die Lokalisierung durch strukturierte Polymerwannen als Prozess der Wahl herausgestellt. Obwohl die Halbleiter, insbesondere das PDI-Derivat, bereits an Luft eine hohe Umweltstabilität aufweisen, wurde die Verkapselung der Halbleiter untersucht. Eine Verkapselung ist unabhängig von der intrinsischen Stabilität in komplexen, mehrschichtigen Systemen, wie Schaltungen und Anzeigen, erforderlich, um den Halbleiter vor nachfolgenden Prozessschritten zu schützen. Als Material der Wahl hat sich ein fluorierter Photolack basierend auf gegenüber den Halbleitern orthogonalen Lösemitteln erwiesen. Insbesondere der Polymerhalbleiter zeigt durch die Verkapselung eine Stabilisierung der Schwellspannung und eine erhöhte Langzeitstabilität. Durch die hydrophobe Verkapselung bleibt sogar eine mehrstündige Immersion in Wasser ohne Auswirkungen auf das Verhalten der Transistoren. Für beide Halbleitertypen wurden jeweils Prozesse für ein optimales Betriebsverhalten entwickelt. Aufgrund technologischer Einschränkungen und der geforderten ähnlichen Eigenschaften der Transistoren in komplementären Schaltungen ist die Schnittmenge eines für beide Halbleitertypen kompatiblen Prozesses allerdings gering. Die Realisierung komplementärer Grundschaltungen erfolgte daher auf Basis des BGBC-Prozesses mit Abscheidung des PDI-Derivats aus o-DCB. Die hergestellten Inverter, Nand-Gatter und Ringoszillatoren waren funktionsfähig, allerdings stellte sich die Betriebsstabilität als problematisch heraus. Durch elektrische Beanspruchung trat eine signifikante Verschiebung der Schwellspannungen ein, was zur raschen Degradation der Signalpegel führte. Alternativ wurde die unipolare Pseudo-CMOS-Technik auf Basis des Polymerhalbleiters untersucht. Diese Schaltungstechnik stellte sich als wesentlich robuster heraus. Es wurde sogar eine Art Lerneffekt beobachtet, der dazu führt, dass sich das anfänglich nicht-ideale Schaltverhalten von Invertern während des Betriebs durch Angleichung der Schwellspannungen einzelner Transistoren verbessert. Die Integrierbarkeit der entwickelten Transistorprozesse in ein komplexes, mehrschichtiges System wurde durch eine funktionsfähige, elektrophoretische Aktiv-Matrix-Anzeige demonstriert. Die Anzeige hat eine Auflösung von 32×32 Bildpunkten mit Ansteuerung durch organische Transistoren mit Polymerhalbleiter. Die Lokalisation des Halbleiters wurde aufgrund der geringen Transistordimensionen erfolgreich durch selbstorganisierende Monolagen realisiert. Durch die Verkapselung hatten nachfolgende Passivierungs-, Abscheide- und Strukturierungsprozesse keine signifikanten Auswirkungen auf die Transistoren. Die maximale Temperatur bei der Prozessierung betrug 150◦C.
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    Active electronic loads for radiometric calibration
    (2017) Weissbrodt, Ernst; Kallfass, Ingmar (Prof. Dr.)
    Although radiometer systems are widely applied in very different fields, they all have one important requirement in common: They require a thorough radiometric calibration. Various conventional calibration references are well established, but their bulkiness, high power consumption, and complexity are limiting the expanding fields of application. Since novel industrial applications such as passive millimeter-wave imaging emerge, the requirements for calibration references have increased drastically. But also in scientific fields like radio astronomy, cosmology or environmental monitoring, modern remote sensing radiometers do not rely only on conventional references anymore. In this work, millimeter-wave monolithic integrated circuits (MMICs) based on metamorphic high electron mobility transistors (mHEMT) were designed to be used as active electronic loads for radiometric calibration. These novel references have not only the outstanding property, that they can be directly integrated on chip-level into the radiometer front-end, but also, that they can exhibit cold as well as hot reference noise temperatures. Since this is achieved without any physical cooling or heating, the power consumption is notably reduced. By monolithic integration of field effect transistor (FET) switches, theses multiple references can internally be routed to the receiver input without any mechanical wear. As a result, laborious external references can be omitted and the repetition rate of the calibration procedure increased, which results in a higher radiometric accuracy and allows a more compact and cost-effective design of modern radiometer systems. This work presents the first radiometric calibration front-end that allows to internally switch between active electronic cold and active electronic hot loads, as well as a passive ambient load. All components are integrated on a single MMIC, and a patent was granted for this innovation. To predict the achievable noise temperatures of active cold loads (ACLs), different simulation approaches were previously published. This work evaluates and adapts these existing approaches to design and manufacture several W-band loads. But the required design-flow was found to be very time-consuming because multiple iterations are necessary to successively design and optimize the input- and output matching networks, and to finally achieve the desired low noise temperature. Therefore, a novel simulation approach is introduced that makes efficiently use of modern optimization algorithms and the very accurate model library of the mHEMT technology and the passive structures. With this novel simulation method, the first active hot loads (AHLs) were designed as well as state-of-the-art ACLs up to 140 GHz. However, the characterization of low-noise one-port devices is particularly challenging, especially at such high frequencies. Hence, a substantial part of this work is to investigate the reliability of different noise measurement setups and the repeatability of noise temperature results. Dedicated setups in W- and D-band are used to characterize all manufactured active loads and some selected results are cross-checked by measuring the same circuits with independently designed measurement systems of other research facilities. The discrepant results are discussed, concluding that high variations in measured one-port noise temperature do not allow to rely on one single measurement setup. At the same time, this thorough investigation and comparison permits to establish an accuracy range within which the results of the manufactured active electronic loads are reliable, whereas other previously published ACLs are typically only measured with one measurement setup.
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    Frequency-agile bandpass delta-sigma modulator for microwave transmitters
    (2019) Schmidt, Martin; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    A large part of the power consumption for mobile communications can be allotted to power amplifiers. Class-S power amplifiers promise a very high power efficiency, especially for modern communication standards. An important part of the Class-S power amplifier is the modulator that converts the input signal into a binary pulse sequence. A switching-mode power amplifier can amplify this sequence efficiently. This work covers the implementation of such a modulator as a bandpass delta-sigma modulator. The goal is an output signal which fulfills the requirements of the mobile communication standard UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) in a frequency range which is as large as possible. The thesis starts with the basics of mobile communications, with power amplifiers and with the requirements for the transmit signals for UMTS. Based on a discrete-time lowpass delta-sigma modulator, a continuous-time bandpass delta-sigma modulator is derived. Due to project constraints a bipolar technology is selected for the implementation. Current-mode logic is used for amplifiers and latches in the digital part. Different circuits for a transconductance amplifier are derived and evaluated. A novel, switchable capacitance is presented. With the switchable capacitance a large frequency range of the modulator becomes possible. Two modulators are designed. The first modulator is not tunable and fulfills the UMTS requirements for the downlink channel from the base station to the user equipment at a signal frequency of 2.2 GHz. The second modulator uses the switchable capacitance and covers a frequency range between 1.55 GHz and 2.45 GHz. It fulfills the UMTS requirements within the frequency range between 1.8 GHz and 2.45 GHz.
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    Entwicklung einer Methode der Displaybeleuchtung zur Unterstützung des menschlichen zirkadianen Systems
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Proß, Achim; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
    LED-Displays mit hohem Blaulichtanteil wirken nachweislich negativ auf den Tag-Nacht-Rhythmus. Diese Dissertation behandelt die kombinierte Fragestellung, wie spektrale Veränderungen der Displaybeleuchtung die nicht-visuelle Lichtwirkung und die Farbwahrnehmung des Menschen beeinflussen. Es wird eine Methode zur Displaybeleuchtung durch Verschiebung der Peak-Wellenlängen entwickelt, prototypisch realisiert und in zwei Probandenstudien evaluiert.
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    Efficient modeling and computation methods for robust AMS system design
    (2018) Gil, Leandro; Radetzki, Martin (Prof. Dr.-Ing.)
    This dissertation copes with the challenge regarding the development of model based design tools that better support the mixed analog and digital parts design of embedded systems. It focuses on the conception of efficient modeling and simulation methods that adequately support emerging system level design methodologies. Starting with a deep analysis of the design activities, many weak points of today’s system level design tools were captured. After considering the modeling and simulation of power electronic circuits for designing low energy embedded systems, a novel signal model that efficiently captures the dynamic behavior of analog and digital circuits is proposed and utilized for the development of computation methods that enable the fast and accurate system level simulation of AMS systems. In order to support a stepwise system design refinement which is based on the essential system properties, behavior computation methods for linear and nonlinear analog circuits based on the novel signal model are presented and compared regarding the performance, accuracy and stability with existing numerical and analytical methods for circuit simulation. The novel signal model in combination with the method proposed to efficiently cope with the interaction of analog and digital circuits as well as the new method for digital circuit simulation are the key contributions of this dissertation because they allow the concurrent state and event based simulation of analog and digital circuits. Using a synchronous data flow model of computation for scheduling the execution of the analog and digital model parts, very fast AMS system simulations are carried out. As the best behavior abstraction for analog and digital circuits may be selected without the need of changing component interfaces, the implementation, validation and verification of AMS systems take advantage of the novel mixed signal representation. Changes on the modeling abstraction level do not affect the experiment setup. The second part of this work deals with the robust design of AMS systems and its verification. After defining a mixed sensitivity based robustness evaluation index for AMS control systems, a general robust design method leading to optimal controller tuning is presented. To avoid over-conservative AMS system designs, the proposed robust design optimization method considers parametric uncertainty and nonlinear model characteristics. The system properties in the frequency domain needed to evaluate the system robustness during parameter optimization are obtained from the proposed signal model. Further advantages of the presented signal model for the computation of control system performance evaluation indexes in the time domain are also investigated in combination with range arithmetic. A novel approach for capturing parameter correlations in range arithmetic based circuit behavior computation is proposed as a step towards a holistic modeling method for the robust design of AMS systems. The several modeling and computation methods proposed to improve the support of design methodologies and tools for AMS system are validated and evaluated in the course of this dissertation considering many aspects of the modeling, simulation, design and verification of a low power embedded system implementing Adaptive Voltage and Frequency Scaling (AVFS) for energy saving.
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    Position sensor and control system for micro hydraulic drives in surgical instruments
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Comella, Laura; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
    This work is focused on the research and development of a sensor that permits the control of the movement of a hydraulically driven laparoscopic instrument tip and opens the way towards a new interpretation of surgical instruments. In the new vision the instrument is able to execute automatically preprogrammed tasks, without the constant involvement of the surgeon in the instrument control. After an analysis on the state of the art for laparoscopic instruments and a revision of the relevant literature on sensors for displacement measurement, the coaxial cylindrical capacitive method was identified as the most suitable solution for the application analyzed. This sensor configuration can be integrated directly into the hydraulic cylinder without the need of additional parts. The feasibility of the coaxial cylindrical capacitive sensor is theoretically analyzed, validated with FEA simulation and then characterized experimentally. Relevant is the fact that the tests are run with two different hydraulic cylinders, a mini hydraulic and a micro hydraulic cylinder, to demonstrate the scalability of the sensor and its adaptability to instruments of different size. The experimental results match the simulations and confirm the sensor´s behavior also on experimental level. The sensor is than integrated in a closed loop system to test its suitability for controlling the position of the instrument tip in a scenario as close as possible to the real one. For this reason, a hydraulic drive, which permits the movement of the instrument tip, is designed. The full hydraulic drive system is modeled and this model is used to design a feedback control. The designed controller is initially proven through simulation. Afterwards it is tested with experiments proving the correspondence between simulated and real world behavior of the system.
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    Ultra-high-speed digital-to-analog converter for optical communications
    (2019) Huang, Hao; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    In der vorliegenden Dissertation wird die Schaltungstechnik für schnelle DACs untersucht und ein DAC mit einer Umsetzungsrate bis zu 100 GS/s und 8 bit nomineller Auflösung in 28 nm CMOS Technologie entworfen. Um die Ausgangsbandbreite zu erhöhen, ist die Ausgangsstufe mit einer verteilten Struktur konstruiert. Dabei sind das Stromsummationsnetzwerk und die Taktverteilung an der DAC-Ausgangsstufe mittels künstlich konstruierten Leitungen realisiert, um die parasitären Kapazitäten auf die künstliche Leitung zu verteilen. Für die Charakterisierung des DACs ist ein 1 kByte Speicher integrierte, der zyklisch ausgelesen werden kann, um die Eingangsdatenströme für den DAC zu erzeugen. Die maximale Bandbreite beträgt 13 GHz bei einer Abtastrate von 100 GS/s. Die effektive Anzahl von Bits (engl. effective number of bits, ENOB) beträgt 5,3 bit bei niedrigen Ausgangsfrequenzen und reduziert sich auf 3,2 bit bei 24,9 GHz mit einer Abtastraten von 100 GS/s.
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    A method for the assembly of microelectronic packages using microwave curing
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Adamietz, Raphael; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)
    Advanced electronic packaging continues to gain prevalence, driven by the continuous trend for miniaturization with concurrent functional integration. Processes in use today are typically efficient for mass production, but are not suitable for the purposes of low volume and prototype production. Adhesive bonding circumvents the elaborate tooling typical for mass production and provides a higher degree of flexibility. Disadvantages lie in long curing cycle times and high handling effort. To overcome these problems, a novel method for the assembly of electronic packages is proposed, one that improves the performance and efficiency of the assembly processes and reduces the handling effort between the separate process steps by integration of assembly and curing process equipment into a single machine. An analysis of the field of electronic packaging with particular respect to adhesive curing processes is performed. Then the relevant state-of-the-art is reviewed and the need of a novel method is identified. The conception and realization of a microwave curing system, based on an open-ended waveguide resonator are carried out. Different concepts for the control of the curing process are described. A machine integrating the curing system and the assembly process equipment is designed and prototypically realized. This is followed by extensive evaluation and testing of the novel method. In the course of the evaluation a representative flip-chip assembly is realized. In order to assess the influence on reliability, a series of temperature cycling tests is performed. Additionally, stress-measurement dies are packaged and the influence of the proposed method onto residual stresses is studied. The influence of the proposed method on throughput and assembly efficiency is investigated. The proposed method provides reduction of curing cycle times for three different adhesive materials and therewith an increase of the overall throughput. By reduction of handling effort, the overall process efficiency could be improved. Furthermore, by microwave curing with the proposed method, a higher reliability of the resulting electronic packages can be achieved. The experiments with the stress chips reveal lower residual stresses in the microwave-heated chips compared to convection heating.
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    Quantifizierende Elektrolumineszenz für Silizium-Solarzellen und -module
    (2019) Kropp, Timo; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
    Diese Arbeit präsentiert zwei neue Messmethoden auf Basis der Elektrolumineszenz zur Charakterisierung von Solarzellen und -modulen. Beide Methoden nutzen die Strominjektion, um ein Lumineszenzbild zu quantifizieren. Der Unterschied zwischen den Methoden besteht in der zeitlichen Variation der Strominjektion bzw. Stromextraktion. Bei der gepulsten Strominjektion sowie -extraktion hängt der zeitliche Verlauf der resultierenden Elektrolumineszenz von der effektiven Ladungsträgerlebensdauer in der untersuchten Solarzelle ab. Die eingeführte analytische Beschreibung der normierten periodischen Intensitätsdifferenz zwischen zwei unterschiedlich strommodulierten Lumineszenzbildern ist unabhängig von der Belichtungszeit der Bildaufnahme. Bei der zeitlich konstanten Strominjektion ist die Amplitude der Lumineszenzintensität zusätzlich durch den lokalen Serienwiderstand bzw. Parallelwiderstand einer Solarzelle bestimmt. Die zweite entwickelte Methode dieser Arbeit ist in der Lage, Leistungsverluste von Photovoltaikmodulen durch mechanische Defekte sowie potentialinduzierte Degradation anhand eines einzelnen Lumineszenzbildes quantitativ zu bewerten. Der durch einen Defekt hervorgerufene Leistungsverlust gegenüber der ursprünglich nach dem Datenblatt verfügbaren Leistung wird präzise vorhergesagt.