Zugl.: Ulm, Univ., Diss., 2007

Brandenburgische Techn. University, Diss., 2002--Cottbus.

Welchen Einfluß hat eine Erkrankung der lautgenerierenden Strukturen auf das Lautprodukt. Wie kann eine Stimmveränderung beschrieben werden? Diese Fragen waren zentrales Thema der Untersuchungen. Es wurde ausschließlich auf Senderseite gearbeitet und das akustische Signal und sein Generierungsmechanismus betrachtet. Zunächst wurden nichtlineare Phänomene in drei Fallstudien betrachtet. Nichtlineare Phänomene sind akustische Ereignisse, die auf ein besonderes Schwingungsverhalten der Stimmlippen zurückzuführen sind. In allen drei Fällen kamen nichtlineare Phänomene am häufigsten bei dem erkrankten Tier vor. In einer weiteren Untersuchung wurde der Harmonischen-Rausch-Abstand auf Hundebellen angewendet. Dieser akustische Parameter wurde bisher noch nicht in der Bioakustik verwendet. Normal klingende Hunde scheinen einen mittleren HNR Bereich einzunehmen, während Hunde mit Dysphonie außerhalb dieses Bereiches liegen. Außerdem wurden Untersuchungen zur Anatomie der Stimmlippen und des Vokaltraktes durchgeführt, um bestimmte Aspekte der laryngealen Stimmgenerierung zu verstehen. Diese Dissertation enthält WAVE-Datein, welche hier heruntergeladen werden können: Attached Audiofiles. / If the sender's physiology or merely the sound generating apparatus is affected by a disease, what impact on voice does it have? How can this vocal change be described? Those questions were the central issue in this work, consequently this work is focussed on the sender's side - the acoustic signal and the mechanism of sound production. First nonlinear phonemena, acoustic events arising from certain vibration patterns of the vocal folds were investigated in three case studies. In all three cases the amount of nonlinear phenomena was higher in the disordered animal. Second, the harmonic-to-noise-ratio (HNR), an acoustic parameter not yet used in animal bioacoustics, was applied to dog barks to quantify dysphonia. Normal sounding dogs occupy a middle HNR range, while dysphonic dogs exceed this range to higher as well as to lower HNR values. Additionally, certain aspects of the vocal fold and vocal tract anatomy were investigated in respect to their significance for laryngeal sound generation. This dissertation contains WAVE-files which can be downloaded here: Attached Audiofiles.

In dieser Arbeit wird das epitaktische Wachstum von GaP/Si Heterostrukturen zur Herstellung von rauscharmen GaP/Si Nanodiodenarrays untersucht, wobei eine top-down Ätztechnik zur Herstellung der verwendeten Nanodiodenarrays genutzt wurde. Zur Untersuchung der gewachsenen Schichten wurden Röntgenstreuung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie sowie die elektrische Charakterisierung mittels Strom-Spannungs und Kapazität-Spannungsmessungen verwendet. Zudem wurde die Grenzfläche zwischen epitaktischer Schicht und Substrat mittels Niederfrequenter Rauschspektroskopie (LFN) untersucht. Die GaP-Schichten wurden auf p-dotierten Si (100) Substraten mittels eines Riber-32P Gasquellen-Molekularstrahlepitaxiesystems gewachsen. Die Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit und Kristallqualität von denWachstumsbedingungen, wie der Wachstumstemperatur, wurden intensiv untersucht, um die Defektdichte zu minimieren. Dafür wurden nominal 500 nm dicke Heterostrukturschichten beiWachstumstemperaturen von 550 °C, 400 °C und 250 °C gewachsen, wobei 400 °C als die optimale Wachstumstemperatur bestimmt wurde. Trotzdem waren die erhaltenen Schichten aufgrund der hohen Versetzungsdichte von schlechter Qualität. Eine nur sehr geringe Qualitätsverbesserung konnte durch einen in situ durchgeführten thermischen Annealingschritt bei 500 °C für 10 Minuten erreicht werden. Daher wurde eine neue Annealingmethode vorgeschlagen, die in dieser Arbeit step-graded annealing (SGA) genannt wird. Bei dieser Methode wurde die Temperatur schrittweise von 400 °C auf 480 °C innerhalb von 90 Minuten erhöht. Dabei wurde die Oberfläche die gesamte Zeit mittels Reflexion hochenergetischer Elektronen (RHEED) untersucht. Die Oberflächenrekonstruktion, die während des Annealens mittels RHEED beobachtet wurde, zeigte schließlich eine große Verbesserung der Kristallqualität. Die Gitterparameter von GaP wurden mittels asymmetrischer XRD gemessen, wobei festgestellt wurde, dass sie exakt denen von Volumen-GaP entsprechen. Zudem wurde festgestellt, dass die GaP-Schicht automatisch n-dotiert ist und diodentypisches Gleichrichtungsverhalten aufweist. Interessante Informationen über Fallenzustände in den Heterostrukturfilmen konnten mittels LFN-Messungen gefunden werden. In einer nicht annealten Probe wurden beispielsweise zwei Fallenzustände im Bereich der Bandlücke festgestellt. In den mittels der SGA-Methode annealten Proben wurde hingegen ein rauscharmes und fallenfreies System erhalten. Anschließend wurde Elektronenstrahllithografie (EBL) zum Erstellen von Nanomustern auf der Oberfläche genutzt, die zur Herstellung von Nanodrähten genutzt werden sollen. Zur Optimierung der Elektronenstrahllithografie wurden dabei GaPSubstrate aufgrund der im Vergleich zu den epitaktischen Schichten besseren und glatteren Oberflächenstruktur genutzt. Dabei konnten in einer Goldschicht 200 nm große Löcher in einem Gitter mit hoher Dichte auf GaP erstellt und in die GaPSchicht übertragen werden. Die metallunterstütztes chemisches Ätzen (MacEtch) genannte Technik wurde kürzlich vorgeschlagen und eignet sich für die Herstellung von Nanodrähten. Die Anwendung zur Herstellung von Nanodrähten aus GaP war herausfordernd aufgrund bisher begrenzter Anwendung für III-V Halbleiter. Zur Optimierung der MacEtch Technik wurde zunächst wieder GaP-Substrat verwendet, um den Einfluss von Kristalldefekten und der Oberflächenrauigkeit auf die Ergebnisse zu minimieren. Genutzt wurde ein Gemisch aus Lösungen von HF/KMnO4 mit verschiedenen Konzentrationen. Mit den so bestimmten Prozessbedingungen konnten erfolgreich GaP Nanodrähte aus GaP-Epilayern hergestellt werden. GaP/Si Heteroübergangsnanodioden wurden anschließend unter Nutzung von Au-Ge/Ni Kontakten zu GaP-Schicht und Al/Ni Kontakten zum rückseitigen Si hergestellt. Die Transporteigenschaften des Nanodiodenarrays bestätigen die Möglichkeit, diese Arrays als elektronische NiederLärmbauelemente einzusetzen. / An epitaxial growth of GaP/Si heterostructures for the fabrication of low-noise GaP/Si nanodiode array based on nanowires is reported. The grown films were characterized using X-ray diffraction, scanning-electron microscopy, atomic-force microscopy and electrical measurements. Besides that, the interface between the epilayer and the substrate was deeply studied using a low-frequency noise (LFN) spectroscopy. The GaP epilayers were grown on p-type Si (100)substrates using gas-source molecular-beam epitaxy system. The dependence of surface morphology and crystal quality on the growth conditions was intensively investigated for minimizing the defects. The heterostructure films were grown at an optimal growth temperature of 400 °C and a nominal thickness of 500 nm. In order to improve the crystalline quality of the heterostructures, a new thermal annealing method was proposed, and referred to as step-graded annealing (SGA). In this method, the temperature was increased gradually to the annealing temperature to reduce the strain relaxation in the epilayers. A highly improvement in the crystal quality was confirmed using the SGA method. In addition, the epilayers were found to be n-type autodoped, and exhibited diode rectification behavior. Furthermore, the trap levels in the band gap, which were revealed via LFN measurements, were found to be suppressed in the annealed films. Thereafter, gold-mesh nanopatterns on the GaP surfaces were fabricated using an electron-beam lithography, as a step for the fabrication of GaP nanowires. A metal-assisted chemical etching technique with a mixture of HF:KMnO4 was carried out to fabricate GaP nanowires. GaP/Si heterojunction nanodiodes were then fabricated using an Au-Ge/Ni contact on the top of the GaP nanowires as well as an Al/Ni contact on the backside of Si. Transport properties of the nanodiode array confirmed the possibility of using the array as a low-frequency electronic device.

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Secret key generation from reciprocal multi-antenna channels is an interesting alternative to cryptographic key management in wireless systems without infrastructure access. In this work, we study the secret key rate for the basic source model with a MIMO channel. First, we derive an expression for the secret key rate under spatial correlation modelled by the Kronecker model and with spatial precoding at both communication nodes. Next, we analyze the result for uncorrelated antennas to understand the optimal precoding for this special case, which is equal power allocation. Then, the impact of correlation is characterized using Majorization theory. Surprisingly for small SNR, spatial correlation increases the secret key rate. For high SNR, the maximum secret key rate is achieved for uncorrelated antennas. The results indicate that a solid system design for reciprocal MIMO key generation is required to establish the secret key rate gains.

In this paper, we analyze the achievable secrecy rates in the two-hop wiretap channel with four nodes, where the transmitter and the receiver have multiple antennas while the relay and the eavesdropper have only a single antenna each. The relay is operating in amplify-and-forward mode and all the channels between the nodes are known perfectly by the transmitter. We discuss different transmission and protection schemes like artificial noise (AN). Furthermore, we introduce interference neutralization (IN) as a new protection scheme. We compare the different schemes regarding the high-SNR slope and the high-SNR power offset and illustrate the performance by simulation results. It is shown analytically as well as by numerical simulations that the high SNR performance of the proposed IN scheme is better than the one of AN.

1-bit analog-to-digital conversion is very attractive for low-complexity communications receivers. A major drawback is, however, the small spectral efficiency when sampling at symbol rate. This can be improved through oversampling by exploiting the signal distortion caused by the transmission channel. This paper analyzes the achievable data rate of band-limited communications channels that are subject to additive noise and inter-symbol-interference with 1-bit quantization and oversampling at the receiver. It is shown that not only the channel noise but also the inter-symbol-interference can be exploited to benefit from oversampling.

Das vorliegende Forschungsvorhaben geht auf die Suche nach identitätsrelevanten Erfahrungen im Zusammenhang mit Konsum- und Rauscherlebnissen von jungen Menschen ohne Krankheitsdiagnosen. Ausgangshypothese war, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen der Beteiligung an Konsum-, in erster Linie Alkoholszenen, und der Entwicklung eines jungen Erwachsenen Selbst. Folgende Forschungsfragen standen am Anfang der Studie: Welche Gründe stehen hinter einem Konsum von psychoaktiven Substanzen in der heute jungen Generation der 15- bis 25-Jährigen? Wie werden Rauscherfahrungen von Konsument/inn/en selbst bewertet und eingeschätzt? Welche subjektiven und gruppenspezifischen Gründe führen dazu, sich auf Konsumverhaltensweisen einzulassen, die aus einer Fremdperspektive auch gesundheitsschädigend und risikoreich sein können? Für die Studie wurden qualitative und quantitative Forschungsmethoden eingesetzt. Der Kern der Arbeit besteht aus einer – von der Grounded Theory ausgehenden – Analyse von 19 halbstandardisierten, themenzentrierten Interviews, die mit insgesamt 23 konsum- und rauscherfahrenen jungen Männern und Frauen zwischen 14 und 20 Jahren geführt wurden. Der empirische Teil bezieht sich auf Südtirol. Auf quantitativer Ebene wird gezeigt, wie sich die Konsumprävalenzen in den letzten 8 Jahren innerhalb der Population der 15- bis 25-Jährigen verändert haben und welche Korrelationen zwischen Konsumverhalten und Lebensbefindlichkeiten bestehen. Insgesamt kann das gesamte Vorhaben auch als Versuch gesehen werden, eine Sichtweise aufzuzeigen, die von den Lebenswelten der Betroffenen ausgeht. Als Resultat zeigt die vorliegende Arbeit klar und unmissverständlich auf, dass Alkoholszenen wichtige identitätsstiftende und verankernde Impulse leisten, die junge Burschen und Mädchen auf ihrem Weg in das Erwachsenenleben als Erfahrungswelt benötigen. Sie sind behilflich, um sich von der Kindheit zu verabschieden und zu einem eigenen Selbst zu kommen. Diese Szenen sind selbstorganisiert und selbstkonstruiert. In ihnen lernen die Beteiligten kompetent mit Schlüsselsituationen umzugehen. Nach einigen Jahren entwickeln sie durch die Beteiligung aber auch eine kritische Reflexionsfähigkeit und distanzieren sich erneut davon. Ersichtlich wird durch die ausgeprägt vorgefundenen Ambivalenzen allerdings auch, dass die Alkoholszenen Kunstwelten sind und für diesen Übergangsraum nicht die optimalen und idealen Orte darstellen. Dass Alkoholszenen diese Funktion trotzdem einnehmen, hat auch damit zu tun, dass Erwachsene sich aus diesem Raum mehr oder weniger verabschiedet haben. Für die seit Menschengedenken gleiche Aufgabe, seinen eigenen Platz im Gefüge zu finden, gibt es in der 2. Moderne keine aktualisierte und an die aktuellen Lebensbedingungen angepasste „Software“. / This paper aims to examine identity-related experiences of adolescents without confirmed diagnosis regarding their episodes of alcohol consumption and excessive drinking. The core assumption was that there is a connection between the participation in consumption scenes, alcohol scenes in particular, and the identity development of a young adult. The underlying questions of the study were the following: What are the reasons for the consumption of psychoactive substances in today’s 15 to 25-year-olds? How do consumers themselves value and assess their episodes of excessive drinking? What are the subjective and group-specific reasons for the participation in consumption behavior, which can be considered as dangerous and health damaging by people that are not involved? Qualitative and quantitative approaches were applied in the study. The core issue of the research consists of the analysis – based on the Grounded Theory Method – of 19 half-standardized, topic-related interviews with 23 young male and female subjects aged 14 to 20 experienced in consumption and inebriation. The empirical part of the study refers to the situation in South Tyrol. The quantitative part focuses on the change in consumption preferences of the population of 15 to 25-year-olds over the last eight years and on the correlation between consumption behavior and existential orientation. This paper can also be considered an attempt to show the perspective of the people concerned. The findings of the study clearly and unequivocally indicate that alcohol scenes provide important stimuli for the identity development and consolidation that adolescents need on their way to their adult life. These scenes are self-contrived and self-organized and can help adolescents to let go of their childhood and to find their own self. They teach participants to competently handle key situations. After some years, they develop a critical reflecting ability through their participation and they distance themselves from the scenes. The frequently encountered ambivalences also show that alcohol scenes are artificial worlds and do not represent the optimal and ideal places for this transitional period. Alcohol scenes take over this function because of the fact that adults have taken leave of this place. Since time memorial, a young people’s essential task has been that of finding their own place in the social fabric and second modernity has not provided appropriate “software” for the present living conditions yet.

This work focuses on the evaluation of the feasibility to employ silicon (Si) nanowire based parallel arrays of Schottky-barrier field effect transistors (SB-FETs) as transducers for potentiometric biosensors and their overall performance as building blocks for novel functional electronics. Nanowire parallel arrays of SB-FETs were produced and electrically characterized during this work. Nominally undoped Si nanowires with mean diameter of 20nm were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) driven bottom-up growth and subsequently transferred via a printing process to Si/SiO2 chip substrates. Thereby, dense parallel aligned nanowire arrays are created. After dry oxidation of the nanowires, standard photolithography and deposition methods are employed to contact several hundred nanowires with interdigitated Ni electrodes in parallel. A silicidation step is used to produce axially intruded Ni-silicide (metallic) phases with a very abrupt interface to the Si (semiconducting) segment. Acting as front gate dielectric, the chip surface is entirely covered by an Al2O3 layer. For sensor applications, this layer further serves as electrical isolation of the electrodes and protects them from corrosion in electrolytes. Fabricated devices are part of the SOI (Si on insulator) transistor family with top (front) and back gate and exhibit ambipolar rectifying behavior. The top gate exhibits omega geometry with a 20nm thin Al2O3 dielectric, the back gate planar geometry with a 400nm thick SiO2 dielectric. The influence of both gates on the charge transport is summarized in the statistical analysis of transfer and output characteristic for 7 different lengths (for each 20 devices) of the Si conduction channel. A nonlinear scaling of on-currents and transconductance with channel length is revealed. Off-currents are influenced from both p- and n-type conduction at the same time. Increasing lateral electric fields (LEF) lead to a decline of suppression capability of both p- and n-currents by a single gate. This is reflected in a deteriorated swing and higher off-current towards decreasing channel lengths (increasing LEF). However, by individual gating of Schottky junction and channel, p- and n-type currents can be controlled individually. Both charge carrier types, p and n, can be suppressed efficiently at the same time leading to low off-currents and high on/off current ratio for all investigated channel lengths. This is achieved by a combined top and back double gate architecture, for which the back gate controls the Schottky junction resistance. It is demonstrated that a fixed high Schottky junction serial resistance, severely impairs the transconductance. However, the transconductance can be significantly increased by lowering this resistance via the back gate, enhancing the transducer performance significantly. Al2O3 covered SB-FETs were employed as pH sensors to evaluate their performance and signal to noise ratio (SNR). Current modulation per pH was observed to be directly proportional to the transconductance. The transistor related signal to noise ratio (SNR) is thus proportional to the transconductance to current noise ratio. Device noise was characterized and found to limit the SNR already below the peak transconductance regime. Statistical analysis showed that the nanowire SB-FET transconductance and noise both scale proportional with the current. Therefore, the SNR was found to be independent on the nanowire channel lengths under investigation. The high process yield of nanowire SB-FET parallel array fabrication close to hundred percent enables this platform to be used for simple logic and biosensor elements. Because of the low fabrication temperatures needed, the foundation is laid to produce complementary logic with undoped Si on flexible substrates. For previously reported results, the presence of Schottky junctions severely impaired the transconductance, restricting the applicability of SB-FETs as transducers. This work shows, that an electric decoupling of the Schottky junction can reduce these restrictions, making SB-FETs feasible for sensor applications. / Diese Dissertation ist der Bewertung von Silizium (Si) Nanodraht basierten Parallelschaltungen von Schottky-Barrieren-Feld-Effekt-Transistoren (SB-FETs) als Wandler für potentiometrische Biosensoren und deren generelle Leistungsfähigkeit als Bauelement neuartiger funktioneller Elektronik gewidmet. In dieser Arbeit wurden Parallelschaltungen von Nanodraht SB-FETs hergestellt und elektrisch charakterisiert. Nominell undotierte Si Nanodrähte mit durchschnittlichem Durchmesser von 20nm wurden mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD) synthetisiert und anschließend durch einen Druckprozess auf ein Si/SiO2 Chip-Substrat transferiert. Damit wurden dicht gepackte, parallel ausgerichtete Nanodraht Schichten erzeugt. Nach Trockenoxidation der Nanodrähte wurden diese mit Standard Lithographie und Abscheidungsmethoden mit interdigitalen Nickel (Ni) Elektroden als Parallelschaltung kontaktiert. Durch einen Temperprozess bilden sich axial eindiffundierte metallische Ni-Silizid-Phasen, mit einer sehr abrupten Grenzfläche zum halbleitenden Si Segments des Nanodrahts. Die Chipoberfläche wird vollständig mit einer Al2O3-Schicht bedeckt, welche als Frontgate-Dielektrikum oder als elektrische Isolation und Korrosionsschutzschicht für Elektroden in Elektrolytlösungen im Falle der Sensoranwendungen dient. Die hier gezeigten Bauelemente sind Teil der SOI (Si on insulator) Transistoren-Familie mit Top- (Front) und Backgate und zeigen ein ambipolares Schaltverhalten. Die Topgates besitzen eine Omega-Geometrie mit 20nm dickem Al2O3 Dielektrikum, das Backgate eine planare Geometrie mit 400nm dickem SiO2 Dielektrikum. Der Einfluss beider Gates auf den Ladungstransport ist in einer statistischen Analyse der Transfer- und Output-Charaktersitiken für 7 unterschiedliche Si-Leitungskanallängen zusammengefasst. Eine nichtlineare Skalierung von Strom und Transkonduktanz mit Leitungskanallänge wurde aufgedeckt. Die Ströme im Aus-Zustand des Transistors sind durch das Vorhandensein gleichzeitiger p- als auch n-Typ Leitung bestimmt. Die Zunahme lateraler elektrischer Felder (LEF) führt zu einem Verlust des gleichzeitigen Ausschaltvermögens von p- und n-Strömen bei Ansteuerung mit einem einzelnen Gate. Dies äußert sich durch einen graduell verschlechterten Swing und höheren Strom im Aus-Zustand bei verringerter Leitungskanallänge (gleichbedeutend mit erhöhten LEF). Durch eine getrennte Ansteuerung von Schottky-Kontakt und Leitungskanal lassen sich p- and n-Leitung jedoch unabhängig voneinander kontrollieren. Beide Ladungsträgertypen können so simultan effizient unterdrückt werden, was zu einem geringen Strom im Aus-Zustand und einem hohen An/Aus- Stromverhältnis für alle untersuchten Kanallängen führt. Dies wird durch eine Gatearchitektur mit kombiniertem Top- und Backgate erreicht, bei der das Backgate den Ladungstransport durch den Schottky-Kontakt und dessen Serienwiderstand kontrolliert. Es wird gezeigt, dass ein konstant hoher Schottky-Kontakt bedingter Serienwiderstand die Transkonduktanz erheblich vermindert. Jedoch kann die Transkonduktanz im höchsten Maße durch eine Herabsetzung des Serienwiderstandes durch das Backgate gesteigert werden. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit des SB-FET als Wandler deutlich. Al2O3 oberflächenbeschichtete SB-FETs wurden als pH-Sensoren erprobt, um deren Tauglichkeit und Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) zu evaluieren. Die Strommodulation pro pH-Wert konnte als direkt proportional zur Transkonduktanz bestätigt werden. Das Transistor bedingte SNR ist daher proportional zum Verhältnis von Transkonduktanz und Stromrauschen. Bei der Analyse des Transistorrauschens wurde festgestellt, dass dieses das SNR bereits bei einer niedrigeren Transkonduktanz als der maximal Möglichen limitiert. Eine statistische Auswertung zeigte, dass sowohl SB-FET Transkonduktanz als auch Stromrauschen proportional zu dem Transistorstrom skalieren. Somit ist deren Verhältnis unabhängig von der Nanodraht-Leitungskanallänge, im hier untersuchten Rahmen. Die geringe Ausschuss bei der Fabrikation der Nanodraht SB-FET-Parallelschaltungen ermöglicht eine Nutzung dieser Plattform für simple Logik und Biosensorelemente. Durch die geringen Prozesstemperaturen wurde die Grundlage geschaffen, komplementäre Logik mit undotiertem Si auf flexiblen Substraten zu fertigen. Vorangegangene Resultate zeigte eine verminderte Transkonduktanz durch die Präsenz von Schottky-Barrieren, was die Anwendbarkeit von SB-FETs als Wandler einschränkt. Diese Arbeit zeigt, dass eine elekrtische Entkopplung der Schottky-Kontakte zu einer Aufhebung dieser Beschränkung führen kann und somit den Einsatz von SB-FETs als praktikable Wandler für Sensoranwendungen zulässt.