In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

Les propriétés électriques et physiques de structures à faible dimensionalité ont été étudiées pour des applications dans des domaines divers comme l’électronique, les capteurs. La mesure du bruit bruit à basse fréquence est un outil très utile pour obtenir des informations relatives à la dynamique des porteurs, au piègeage des charges ou aux mécanismes de collision. Dans cette thèse, le transport électronique et le bruit basse fréquence mesurés dans des structures à faible dimensionnalité comme les dispositifs multi-grilles (FinFET, JLT…), les nanofils 3D en Si/SiGe, les nanotubes de carbone ou à base de graphène sont présentés. Pour les approches « top-down » et « bottom-up », l’impact du bruit est analysé en fonction de la dimensionalité, du type de conduction (volume vs surface), de la contrainte mécanique et de la présence de jonction metal-semiconducteur. / Electrical and physical properties of low-dimensional structures have been studied for the various applications such as electronics, sensors, and etc. Low-frequency noise measurement is also a useful technique to give more information for the carrier dynamics correlated to the oxide traps, channel defects, and scattering. In this thesis, the electrical transport and low-frequency noise of low-dimensional structure devices such as multi-gate structures (e.g. FinFETs and Junctionless FETs), 3-D stacked Si/SiGe nanowire FETs, carbon nanotubes, and graphene are presented. From the view point of top-down and bottom-up approaches, the impacts of LF noise are investigated according to the dimensionality, conduction mechanism (surface or volume conduction), strain technique, and metal-semiconductor junctions.

Les travaux présentés dans ce manuscrit traite de l'intégration monolithiqued'une unité d'isolement galvanique optique à l'intérieur de la structure d'un transistor depuissance vertical à ffet de champ 600V. L'unité d'isolement galvanique optique est unphotodétecteur qui est responsable du transfert du signal de commande de parti une unitéde commande externe à le transistor de puissance. L'énergie nécessaire pour commuter ledispositif de puissance est fournie au moyen d'un TIA, suivie d'une commande de grille.Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres équivalents: Introduction et motivation:l'isolement glavanic intégrée pour les dispositifs de puissance, photodiodes intégréscompatibles (JVP) pour les interrupteurs de puissance: Modélisation et conception, IPDfabrication et la caractérisation, et les conclusions et les travaux futurs. Les résultats de cestravaux de recherche sont intéressants pour un large spectre d'applications, spécialementpour les fonctions d'alimentation entièrement intégrés avec et coût de fabrication réduitet des solutions fiables, de haut niveau galvaniques isolement qui sont compacts et rentable. / The work presented in this PhD manuscript deals with the monolithic integrationof an optical galvanic isolation unit within the vertical FET structure of a 600Vpower transistor. The optical galvanic isolation unit is a photodetector that is responsiblefor transferring the gating information signal from an external control unit to the powerswitch. The necessary energy to switch the power device is provided by means of a TIAfollowed by a gate driver. This document has four chapters: introduction and motivation:Integrated glavanic isolation for power devices, Compatible integrated phootdiodes (IPDs)for power switches: Modeling and design, IPD fabrication and characterization, and conclusionsand future work. The results of this research work are interesting for a wide rangeof applications specially as the power electronic community strives for a fully integratedpower function with lower implementation costs and reliable, high level galvanic isolationsolutions that are compact and cost effective.

MEMS microphones have been a research topic for the last two and half decades. The state-of-the-art comprises surface mount MEMS microphones in laptops, mobile phones and tablets, etc. The popularity and the commercial success of MEMS microphones is largely due to the steep cost reduction in manufacturing afforded by the mass scale production with microfabrication technology. The current MEMS microphones are de-signed along the lines of traditional microphones that use capacitive transduction with or without permanent charge (electret type microphones use permanent charge of their sensor element). These microphones offer high sensitivity, stability and reasonably at frequency response while reducing the overall size and energy consumption by exploiting MEMS technology. Conceptually, microphones are simple transducers that use a membrane or diaphragm as a mechanical structure which deflects elastically in response to the incident acoustic pressure. This dynamic deflection is converted into an electrical signal using an appropriate transduction technique. The most popular transduction technique used for this application is capacitive, where an elastic diaphragm forms one of the two parallel plates of a capacitor, the fixed substrate or the base plate being the other one. Thus, there are basically two main elements in a microphone { the elastic membrane as a mechanical element, and the transduction technique as the electrical element. In this thesis, we propose and study novel design for both these elements. In the mechanical element, we propose a simple topological change by introducing slits in the membrane along its periphery to enhance the mechanical sensitivity. This simple change, however, has significant impact on the microphone design, performance and its eventual cost. Introduction of slits in the membrane makes the geometry of the structural element non-trivial for response analysis. We devote considerable effort in devising appropriate modeling techniques for deriving lumped parameters that are then used for simulating the system response. For transduction, we propose and study an FET (Field Effect Transistor) coupled micro-phone design where the elastic diaphragm is used as the moving (suspended) gate of an FET and the gate deflection modulated drain current is used in the subthreshold regime of operation as the output signal of the microphone. This design is explored in detail with respect to various design parameters in order to enhance the electrical sensitivity. Both proposed changes in the microphone design are motivated by the possibilities that the microfabrication technology offers. In fact, the design proposed here requires further developments in MEMS technology for reliably creating gaps of 50-100 nm between the substrate and a large 2D structure of the order of a few hundred microns in diameter. In the First part of the thesis, we present detailed simulations of acoustic and squeeze lm domain to understand the effect slits could bring upon the behaviour of the device as a microphone. Since the geometry is nontrivial, we resort to Finite element simulations using commercial packages such as COMSOL Multiphysics and ANSYS in the structural, acoustic and Fluid-structure domains to analyze the behaviour of a microphone which has top plate with nontrivial geometry. On the simulated Finite element data, we conduct low and high frequency limit analysis to extract expressions for the lumped parameters. This technique is well known in acoustics. We borrow this technique of curve Fitting from the acoustics domain and apply it in modified form into the squeeze lm domain. The dynamic behaviour of the entire device is then simulated using the extracted parameters. This helps to simulate the microphone behaviour either as a receiver or as a transmitter. The designed device is fabricated using MEMSCAP PolyMUMPS process (a foundry Polysilicon surface micromachining process). We conduct vibrometer (electrostatic ex-citation) and acoustic characterization. We also study the feasibility of a microphone with slits and the issues involved. The effect of the two dissipation modes (acoustic and squeeze lm ) are quantified with the experimentally determined quality factor. The experimentally measured values are: Resonance is 488 kHz (experimentally determined), low frequency roll-off is 796 Hz (theoretical value) and is 780 Hz as obtained by electrical characterization. The first part of this thesis focusses on developing a comprehensive understanding of the effect of slits on the performance of a MEMS microphone. The presence of slits near the circumference of the clamped plate cause reduction in its rigidity. This leads to an increase in the sensitivity of the device. Slits also cause pressure equalization between the top and bottom of the diaphragm if the incoming sound is at relatively low frequencies. At this frequency, also known as the lower cutoff frequency, the microphone's response starts dropping. The presence of slits also changes the radiation impedance of the plate as well as the squeeze lm damping below the plate. The useful bandwidth of the microphone changes as a consequence. The cavity formed between the top plate and the bottom fixed substrate increases the stiffness of the device significantly due to compression of the trapped air. This effect is more pronounced here because unlike the existing capacitive MEMS microphones, there is no backchamber in the device fabricated here. In the second part of the thesis, we present a novel subthreshold biased FET based MEMS microphone. This biasing of the transistor in the subthreshold region (also called as the OFF-region) offers higher sensitivity as compared to the above threshold region (also called as the ON-region) biasing. This is due to the exponentially varying current with change in the bias voltage in the OFF-region as compared to the quadratic variation in the ON-region. Detailed simulations are done to predict the behaviour of the device. A lumped parameter model of the mechanical domain is coupled with the drain current equations to predict the device behaviour in response to the deflection of the moving gate. From the simulations, we predict that the proposed biasing offers a device sensitive to even sub-nanometer deflection of the flexible gate. As a proof of concept, we fabricate fixed-fixed beams which utilize CMOS-MEMS fabrication. The process involves six lithography steps which involve two CMOS and the remaining MEMS fabrication. The fabricated beams are mechanically characterized for resonance. Further, we carry out electrical characterization for I-V (current-voltage) characteristics. The second part of the thesis focusses on a novel biasing method which circumvents the need of signal conditioning circuitry needed in a capacitive based transduction due to inbuilt amplification. Extensive simulations with equivalent circuit has been carried out to determine the increased sensitivity and the role of various design variables.

This master´s thesis describes switch mode power supply. The aim of this master´s thesis is the design and the construction of the switch mode power supply, which will be used as a laboratory tool.

This thesis deals with modeling and produce of reconfigurable multi-band planar antennas, which allow electrical shifting of frequency band. After antennas simulation with PIN diode and FET switch in a commercial program CST MW, another step is to optimize the antenna for a new substrate. The next step was to produce antennas. Finally, the optimized antennas are compared with the measurement on experimental antennas.

Le développement de la technologie CMOS a déclenché une révolution dans la production IC. Chaque nouvelle génération technologique, par la mise à l’échelle des dimensions, a entraîné une accélération de son fonctionnement et une réduction de sa consommation. Cependant, la miniaturisation sera contrainte par les limites physiques fondamentales régissant la commutation des dispositifs CMOS dès lors que la technologie atteint des dimensions inférieures à 10 nm. Les chercheurs veulent trouver d'autres moyens de dépasser ces limites physiques. La spintronique est l’un des concepts les plus prometteurs pour de nouvelles applications de circuits intégrés sans courant de charge. La STT-MRAM est l’une des technologies de mémoires fondée sur la spintronique qui entre avec succès en phase de production de masse. Les opérateurs logiques à base de spin, associés aux métiers, doivent être maintenant étudiés. Notre recherche porte sur le domaine des transistors à effet de champ de spin (spin-FET), l'un des dispositifs logiques fondamentaux à base de spin. Le mécanisme principal pour réaliser un spin-FET consiste à contrôler le spin des électrons, ce qui permet d'atteindre l'objectif de réduction de puissance. De plus, en tant que dispositifs à spin, les spin-FET peuvent facilement être combinés à des éléments de stockage magnétique, tels que la jonction tunnel magnétique (MTJ), pour développer une architecture à «logique non volatile» offrant des performances de hautes vitesses et de faible consommation. La thèse présentée ici consiste à développer un modèle compact de spin-FET et à explorer les possibilités de son application pour la conception logique et la simulation logique non volatile. Tout d'abord, nous avons proposé un modèle à géométrie non locale pour spin-FET afin de décrire les comportements des électrons, tels que l'injection et la détection de spin, le décalage de phase d'angle de spin induit par l'interaction spin-orbite. Nous avons programmé un modèle spin-FET non local à l'aide du langage Verilog-A et l'avons validé en comparant la simulation aux résultats expérimentaux. Afin de développer un modèle électrique pour la conception et la simulation de circuits, nous avons proposé un modèle de géométrie local pour spin-FET basé sur le modèle non-local spin-FET. Le modèle de spin-FET local étudié peut être utilisé pour la conception logique et la simulation transitoire à l'aide d'outil de conception de circuit. Deuxièmement, nous avons proposé un modèle spin-FET à plusieurs grilles en améliorant le modèle susmentionné. Afin d'améliorer les performances du spin-FET, nous avons mis en cascade le canal en utilisant une structure d'injection / détection de spin partagée. En concevant différentes longueurs de canal, le spin-FET à plusieurs grilles peut agir comme différentes portes logiques. Les performances de ces portes logiques sont analysées par rapport à la logique CMOS conventionnelle. En utilisant les portes logiques multi-grille à spin-FET, nous avons conçu et simulé un certain nombre de blocs logiques booléens. La fonctionnalité des blocs logiques est démontrée par le résultat de simulations transitoires à l'aide du modèle spin-FET à plusieurs grilles. Enfin, en combinant le modèle spin-FET et le modèle multi-grille spin-FET avec le modèle d'élément de stockage MTJ, les portes à «logique non volatile» sont proposées. Comme le seul signal de pur spin peut atteindre le côté détection du spin-FET, la MTJ reçoit un courant de pur spin pour le transfert de spin. Dans ce cas, la commutation de la MTJ peut être plus efficace par rapport à la structure conventionnelle MTJ / CMOS. La comparaison des performances entre la structure hybride MTJ / spin-FET et la structure hybride MTJ / CMOS est démontrée par un calcul de retard et de courant critique qui est dérivé de l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG). La simulation transitoire valide le fonctionnement de la logique non volatile basée sur MTJ / spin-FET. / The development of Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology drives the revolution of the integrate circuits (IC) production. Each new CMOS technology generation is aimed at the fast and low-power operation which mostly benefits from the scaling with its dimensions. However, the scaling will be influenced by some fundamental physical limits of device switching since the CMOS technology steps into sub-10 nm generation. Researchers want to find other ways for addressing the physical limitation problem. Spintronics is one of the most promising fields for the concept of non-charge-based new IC applications. The spin-transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM) is one of the successful spintronics-based memory devices which is coming into the volume production stage. The related spin-based logic devices still need to be investigated. Our research is on the field of the spin field effect transistors (spin-FET), one of the fundamental spin-based logic devices. The main mechanism for realizing a spin-FET is controlling the spin of the electrons which can achieve the objective of power reduction. Moreover, as spin-based devices, the spin-FET can easily combine with spin-based storage elements such as magnetic tunnel junction (MTJ) to construct the “non-volatile logic” architecture with high-speed and low-power performance. Our focus in this thesis is to develop the compact model for spin-FET and to explore its application on logic design and non-volatile logic simulation. Firstly, we proposed the non-local geometry model for spin-FET to describe the behaviors of the electrons such as spin injection and detection, the spin angle phase shift induced by spin-orbit interaction. We programmed the non-local spin-FET model using Verilog-A language and validated it by comparing the simulation with the experimental result. In order to develop an electrical model for circuit design and simulation, we proposed the local geometry model for spin-FET based on the non-local spin-FET model. The investigated local spin-FET model can be used for logic design and transient simulation on the circuit design tool. Secondly, we proposed the multi-gate spin-FET model by improving the aforementioned model. In order to enhance the performance of the spin-FET, we cascaded the channel using a shared spin injection/detection structure. By designing different channel length, the multi-gate spin-FET can act as different logic gates. The performance of these logic gates is analyzed comparing with the conventional CMOS logic. Using the multi-gate spin-FET-based logic gates, we designed and simulated a number of the Boolean logic block. The logic block is demonstrated by the transient simulation result using the multi-gate spin-FET model. Finally, combing the spin-FET model and multi-gate spin-FET model with the storage element MTJ model, the “non-volatile logic” gates are proposed. Since the only pure spin signal can reach to the detection side of the spin-FET, the MTJ receives pure spin current for the spin transfer. In this case, the switching of the MTJ can be more effective compared with the conventional MTJ/CMOS structure. The performance comparison between hybrid MTJ/spin-FET structure and hybrid MTJ/CMOS structure are demonstrated by delay and critical current calculation which are derived from Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. The transient simulation verifies the function of the MTJ/spin-FET based non-volatile logic.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

The carbon nanotube-based field effect transistor (CNTFET) possesses the potential to overcome limitations of state-of-the-art technologies such as silicon-based complementary metal-oxide-semiconductors. However, the carbon nanotube (CNT) technology is still at its infancy and technology development is still necessary to exploit the CNT properties such as high charge carrier mobility, high current carrying capability, one-dimensional charge transport and their versatile integrability. Within this work significant progress has been achieved scientifically and technologically in the advance of high frequency (HF) CNTFETs for analog applications. According to simulations by others, a technology flow has been developed based on electron beam lithography for bottom gated HF CNTFETs which outperform state-of the art top gate architectures with respect to their parasitic capacitances. Moreover, the impact of electrostatic doping on the CNTFETs has been investigated. In particular, the dynamics of water desorption from the CNTFETs and the related reduction of p-type doping was investigated and the different impact of the n-type dopant polyethylenimine onto the channel region and contact region could be separated for the first time. Furthermore, the impact of doped CNT bundles on the device performance has been studied. It could be shown in detail for the first time, that high off-state source-drain leakage currents can be due to bundled semiconducting CNTs and does not necessarily imply the presence of metallic CNTs. The within the framework of this thesis designed and realized HF CNTFETs are operating in the GHz range with cut-off frequencies up to 14 GHz and maximum frequencies of oscillation up to 6 GHz at a channel length of 280 nm. Moreover, the impact of the spacer between the source-/ drain- to the gate electrode on the HF properties of the CNTFETs has been investigated experimentally for the first time. Simulations by others have successfully confirmed that a symmetrical reduction of the source to gate electrode spacer results in an increased device speed. By asymmetrically reducing the source to gate electrode spacer and in parallel increasing the drain-to-gate electrode spacer the device speed can be further enhanced. Moreover, within this work it has been experimentally indicated for the first time that the device properties of HF CNTFETs can be tuned by different device geometries towards either highest linearity or speed.

Since 1994, South African education system has been undergoing continuous transformation which had an impact on the quality of teaching and learning. There appeared to be a huge underperformance in the High School and FET College learners which for many years forced Universities to embark on bridging courses in order to enroll new students. Furthermore, a misalignment of college’s National Technical Diploma (NATED) programmes that did not afford college graduates an opportunity to register with Universities nor Universities of Technology brought about the questioning of the quality of teaching and learning in the FET College sector. Tabling the unified quality improvement plans in education in South Africa, the Education Ministry introduced an integrated approach to measure teaching and learning with the view of identifying improvement strategies. However, the implementation of this integrated tool called the Integrated Quality Management System had educators and managers attaching ambiguous meanings to the system. The IQMS instrument is meant to be a dependable quality assurance tool to measure and improve the quality of teaching and learning. The ambiguity lies with educators and managers referring to IQMS as a means to acquire 1% pay progression and the possible return of the old apartheid systems’ inspectorate. This research study was promulgated by a concern on the effectiveness and efficiency of implementing the IQMS instrument to measure the quality of teaching and learning in South African FET sector. In exploring literature on the concept of quality teaching and learning in the FET sector in South Africa, the researcher identified that similar trends of integrating quality management systems in education are being followed globally. The difference to the South African system is the attachment of the salary progression of 1% as an incentive to performance. In view of the introduction of the new system of education and training, the researcher realized that ‘short cut’ processes were followed in preparing educators to be able to offer new education programmes using the OBE system of teaching and learning. That appeared to be another shortfall to the adequacy of implementing IQMS as a quality assurance instrument to measure the quality of teaching and learning in the FET sector in South Africa. In addition, there appeared to be conflicting trends in the FET sector where the same sector provided curriculum 2005 programmes for schools which differed from college programmes offering National Certificate Vocational {NC(V)}. Both sectors were expected to use IQMS as a tool to measure the quality of teaching and learning with the view of enhancing improvement thereof. Furthermore, the end product of the FET sector for both schools and colleges is the Further Education and Training Certificate (FETC). Unfortunately, it was difficult for the education department to achieve its objectives because time frames to prepare educators and the critical element of providing adequate human resources for the implementation of IQMS could not be met through Umalusi the national quality assurance body for the sector. The FET Sector which is expected to deliver Education and Training to produce quality students for HE sector and the world of work is faced with shortfalls of quality delivery. The driving force of this research study was to explore the dependability and adequacy of implementing IQMS as a quality assurance instrument to effectively and efficiently measure the quality of teaching and learning to meet the expected outcomes. It is in this regard that the researcher through empirical evidence realized that IQMS did not have theoretical grounding hence there are no principles, procedures or processes that govern the implementation of this very important system. In addition, the empirical evidence from the qualitative study proved that quality delivery of teaching and learning has been monitored using diverse assessment practices. A variety of assessment tools like the TQM and QMS which exist in FET Colleges with the summative IQMS in FET Schools of which the three practices are premised around Quality Management. Quality Management refers to a process where quality delivery in a school, college or any other organization is systematically managed to maintain the competence of the organization. It is in this regard that TQM, QMS and IQMS refer to Quality Assurance Practices in any organization that is geared to effective and efficient client relations. / Teacher Education / D.Ed. (Education Management)