Univ., Diss.--Oldenburg, 1998. / Auch als: Berichte // Forschungszentrum Terramare ; 9.

Cloud computing provides an easy access to computing resources. Customers can acquire and release resources any time. However, it is not trivial to determine when and how many resources to allocate. Many applications running in the cloud face workload changes that affect their resource demand. The first thought is to plan capacity either for the average load or for the peak load. In the first case there is less cost incurred, but performance will be affected if the peak load occurs. The second case leads to money wastage, since resources will remain underutilized most of the time. Therefore there is a need for a more sophisticated resource provisioning techniques that can automatically scale the application resources according to workload demand and performance constrains. Large cloud providers such as Amazon, Microsoft, RightScale provide auto-scaling services. However, without the proper configuration and testing such services can do more harm than good. In this work I investigate application specific online resource allocation techniques that allow to dynamically adapt to incoming workload, minimize the cost of virtual resources and meet user-specified performance objectives.

Data stream processing systems are used to process data from high velocity data sources like financial, sensor, or logistics data. Many use cases force these systems to use a distributed setup to be able to fulfill the strict requirements regarding expected system throughput and end-to-end latency. The major challenge for a distributed data stream processing system is unpredictable load peaks. Most systems use overprovisioning to solve this problem, which leads to a low system utilization and high monetary cost for the user. This doctoral thesis studies a potential solution to this problem by automatic scaling in or out based on the changing workload. This approach is called elastic scaling and allows a cost-efficient execution of the system with a high quality of service. In this thesis, we present our elastic scaling data stream processing system FUGU and address three major challenges of such systems: 1) consideration of user-defined end-to-end latency constraints during the elastic scaling, 2) study of different auto-scaling techniques, and 3) combination of elastic scaling with different fault tolerance techniques. First, we demonstrate how our system considers user-defined end-to-end latency constraints during the scaling decisions. Each scaling decision causes short latency peaks, because the processing needs to be paused while operators are moved. FUGU estimates the latency peaks for different scaling decisions, tries to minimize the created latency peak and at the same time to achieve similar monetary costs like alternative approaches. Second, we study different auto-scaling techniques for elastic-scaling data stream processing systems. Auto-scaling techniques are a very important part of such systems as they derive the scaling decisions. In this thesis, we study three auto-scaling techniques: Threshold-based Scaling, Reinforcement Learning and the novel Online Parameter Optimization. The Online Parameter Optimization overcomes the shortcomings of the two other approaches by avoiding manual tuning and being robust towards different workload patterns. Finally, we present an integration of an elastic scaling with different replication techniques for high availability to allow to minimize the spent monetary cost and to ensure at the same time a maximal recovery time. We leverage two replication approaches in FUGU and evaluate a trade-off between recovery time and overhead. FUGU estimates the recovery time and adaptively optimizes the used replication technique for each operator. All these contributions are carefully evaluated in three real-world scenarios and we discuss the relationship of our contributions towards related work.

Cloud computing provides an easy access to computing resources. Customers can acquire and release resources any time. However, it is not trivial to determine when and how many resources to allocate. Many applications running in the cloud face workload changes that affect their resource demand. The first thought is to plan capacity either for the average load or for the peak load. In the first case there is less cost incurred, but performance will be affected if the peak load occurs. The second case leads to money wastage, since resources will remain underutilized most of the time. Therefore there is a need for a more sophisticated resource provisioning techniques that can automatically scale the application resources according to workload demand and performance constrains. Large cloud providers such as Amazon, Microsoft, RightScale provide auto-scaling services. However, without the proper configuration and testing such services can do more harm than good. In this work I investigate application specific online resource allocation techniques that allow to dynamically adapt to incoming workload, minimize the cost of virtual resources and meet user-specified performance objectives.

The lakes of the East African Rift System (EARS) have been intensively studied to better understand the influence of climate change on hydrological systems. The exceptional sensitivity of these rift lakes, however, is both a challenge and an opportunity when trying to reconstruct past climate changes from changes in the hydrological budget of lake basins on timescales 100 to 104 years. On one hand, differences in basin geometrics (shape, area, volume, depth), catchment rainfall distributions and varying erosion-deposition rates complicate regional interpretation of paleoclimate information from lacustrine sediment proxies. On the other hand, the sensitivity of rift lakes often provides paleoclimate records of excellent quality characterized by a high signal-to-noise ratio. This study aims at better understanding of the climate-proxy generating process in rift lakes by parameterizing the geomorphological and hydroclimatic conditions of a particular site providing a step towards the establishment of regional calibrations of transfer functions for climate reconstructions. The knowledge of the sensitivity of a lake basin to climate change furthermore is crucial for a better assessment of the probability of catastrophic changes in the future, which bear risks for landscapes, ecosystems, and organisms of all sorts, including humans. Part 1 of this thesis explores the effect of the morphology and the effective moisture of a lake catchment. The availability of digital elevation models (DEM) and gridded climate data sets facilitates the comparison of the morphological and hydroclimatic conditions of rift lakes. I used the hypsometric integral (HI) calculated from Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data to describe the morphology of ten lake basins in Kenya and Ethiopia. The aridity index (AI) describing the difference in the precipitation/evaporation balance within a catchment was used to compare the hydroclimatic of these basins. Correlating HI and AI with published Holocene lake-level variations revealed that lakes responding sensitively to relatively moderate climate change are typically graben shaped and characterized by a HI between 0.23-0.30, and relatively humid conditions with AI >1. These amplifier lakes, a term first introduced but not fully parameterized by Alayne Street-Perrott in the early 80s, are unexceptionally located in the crest of the Kenyan and Ethiopian domes. The non-amplifier lakes in the EARS either have lower HI 0.13-0.22 and higher AI (>1) or higher HI (0.31-0.37) and low AI (<1), reflecting pan-shaped morphologies with more arid hydroclimatic conditions. Part 2 of this work addresses the third important factor to be considered when using lake-level and proxy records to unravel past climate changes in the EARS: interbasin connectivity and groundwater flow through faulted and porous subsurface lithologies in a rift setting. First, I have compiled the available hydrogeological data including lithology, resistivity and water-well data for the adjacent Naivasha and Elmenteita-Nakuru basins in the Central Kenya Rift. Using this subsurface information and established records of lake-level decline at the last wet-dry climate transitions, i.e., the termination of the African Humid Period (AHP, 15 to 5 kyr BP), I used a linear decay model to estimate typical groundwater flow between the two basins. The results suggest a delayed response of the groundwater levels of ca. 5 kyrs if no recharge of groundwater occurs during the wet-dry transition, whereas the lag is 2-2.7 kyrs only using the modern recharge of ca. 0.52 m/yr. The estimated total groundwater flow from higher Lake Naivasha (1,880 m a.s.l. during the AHP) to Nakuru-Elmenteita (1,770 m) was 40 cubic kilometers. The unexpectedly large volume, more than half of the volume of the paleo-Lake Naivasha during the Early Holocene, emphasizes the importance of groundwater in hydrological modeling of paleo-lakes in rifts. Moreover, the subsurface connectivity of rift lakes also causes a significant lag time to the system introducing a nonlinear component to the system that has to be considered while interpreting paleo-lake records. Part 3 of this thesis investigated the modern intraseasonal precipitation variability within eleven lake basins discussed in the first section of the study excluding Lake Victoria and including Lake Tana. Remotely sensed rainfall estimates (RFE) from FEWS NET for 1996-2010, are used for the, March April May (MAM) July August September (JAS), October November (ON) and December January February (DJF). The seasonal precipitation are averaged and correlated with the prevailing regional and local climatic mechanisms. Results show high variability with Biennial to Triennial precipitation patterns. The spatial distribution of precipitation in JAS are linked to the onset and strength of the Congo Air Boundary (CAB) and Indian Summer Monsoon (ISM) dynamics. while in ON they are related to the strength of Positive ENSO and IOD phases This study describes the influence of graben morphologies, extreme climate constrasts within catchments and basins connectivity through faults and porous lithologies on rift lakes. Hence, it shows the importance of a careful characterization of a rift lake by these parameters prior to concluding from lake-level and proxy records to climate changes. Furthermore, this study highlights the exceptional sensitivity of rift lakes to relatively moderate climate change and its consequences for water availability to the biosphere including humans. / Die Seen des Ostafrikanischen Riftsystems (EARS) wurden bereits intensiv untersucht, um den Einfluss des Klimawandels auf das hydrologische Systeme besser verstehen zu können. Dabei stellt die außergewöhnliche Sensitivität dieser Riftseen sowohl eine Herausforderung als auch eine Möglichkeit dar, um den historischen Klimawandel von dem hydrologischen Budget der Seebecken auf Zeitskalen von 10 bis 10000 Jahre abzuleiten. Auf der einen Seite verkomplizieren verschiedene Beckengeometrien (Form, Fläche, Volumen, Tiefe), unterschiedliche Niederschlagsverteilungen der einzelnen Zuflüsse und variierende Erosions- und Sedimentationsraten, die aus den Informationen von Seesedimenten generierten, regionalen Interpretationen des Paleoklimas. Andererseits ergibt sich aus der hohen Sensitivität der Riftseen eine exzellente Datenqualität, was sich in dem hohen Signal - Rausch-Verhältnis widerspiegelt. Das Ziel meiner Untersuchungen ist das verbesserte Verständlichkeit der Klimainformationen generierenden Prozesse in den Riftseen als Voraussetzung für weitere Klimarekonstruktion. Fortschritte gab es vor allem in der Entwicklung von regionalen Kalibrationen durch die Parametrisierung der geomorphologischen und hydroklimatischen Gegebenheiten einer wichtigen Lokalität, wodurch es jetzt möglich ist, von Sedimentfunden auf die Umgebungsbedingungen Rückschlüsse zu ziehen. Das Wissen um die Reaktion der Seebecken auf Klimaschwankungen ist unerlässlich für eine bessere Abschätzung der Wahrscheinlichkeit von katastrophalen Änderungen in der Zukunft:ein Szenario das sowohl für Umwelt, Ökosysteme und Organismen, einschließlich des Menschen, Risiken birgt. Im ersten Teil meiner Doktorarbeit untersuche ich den Effekt der Morphologie und der effektiven Feuchtigkeit auf das Einzugsgebiet eines Sees. Die Verfügbarkeit von digitalen Höhenmodellen (DEM) und gerasterten Klimadatensätzen ermöglicht den Vergleich von morphologischen und hydroklimatischen Bedingungen der Riftseen. Ich nutzte das hypsometrische Integral (HI), berechnet aus Daten der “Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)”, um die Morphologie von zehn Seebecken in Kenia und Äthopien zu beschreiben. Der Dürreindex (AI), der die Differenz von Niederschlag zu Verdunstung innerhalb eines Einzugsgebietes beschreibt, wurde benutzt, um das Hydroklima dieser Becken zu vergleichen. Die Korrelation von hypsometrischem Integral und Dürreindex mit publizierten holozänen Seespiegelschwankungen zeigte, dass vor allem Seen mit kleiner Oberfläche und großer Tiefe (Grabenform), charakterisiert durch ein HI von 0.23-0.30 und feuchte Bedingungen mit einem AI > 1, empfindlich auf relativ moderate Klimaänderungen reagieren. Diese “verstärkenden” Seen (amplifier lakes), ein Begriff der von Alayne Street-Perrott in den Achzigerjahren eingeführt wurde aber bis heute nicht völlig quantitativ definiert ist, sind ohne Ausnahme in den tiefen Gräben der kenianischen und äthiopischen Dome zu finden. Seen innerhalb des EARS, die nicht derart empfindlich reagieren, haben entweder ein niedrigeres HI von 0.13-0.22 und einen höheren AI (>1) oder ein höherers HI (0.31-0.37) aber einen niedrigen AI (<1) und zeigen großflächige, flache Morphologien (Pfannenform) unter trockenen klimatischen Bedingungen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem weiteren wichtigen Faktor innerhalb der Klimarekonstruktion, wenn Seespiegelschwankungen und indirekte Messungen (Proxies) betrachtet werden:den störungsbezogenen und porösen Gesteinsschichten geschuldeten Grundwasserverbindungen zwischen den Becken. Als erstes habe ich die vorhandenen hydrogeologischen Daten bestehend aus den Gesteinsformationen, deren Widerstandsfähigkeit und den wasserbezogenen Bohrdaten für die Seen Naivasha und Elementaita-Nakuru zusammengestellt. Mit diesen bereits etablierten Untergrunddaten, z.B. zum Seespiegelrückgang am letzten Übergang von feuchtem zum trockeneren Klima am Ende der afrikanischen Feuchtperiode (AHP) um 15000 bis 5000 Jahre vor heute, schätzte ich den typischen Grundwasserfluss zwischen den beiden benachbarten Becken mittels eines linearen Modells ab. Die Ergebnisse zeigen eine Zeitverzögerung der Grundwasserspiegelanpassung um ca. 5000 Jahre an, falls keine Auffüllung der Grundwasserzufuhr zum Ende der letzten Feuchtperiode eintrat. In heutiger Zeit, ist bedingt durch die Grundwassererzufuhr von ca. 0.52 m/Jahr, nur eine Zeitverzögerung um ca. 2000-2700 Jahre zu sehen. Der geschätzte totale Grundwasserfluss vom höher gelegenden Naivasha See (1880 m über dem Meeresspiegel zum Ende der AHP) zum Elementaita-Nakuru See (1770 m) betrug 40 km3. Dieses unerwartet große Volumen, mehr als die Hälfte des Volumens vom Naivasha See während des frühen Holozäns, verdeutlicht, dass das Grundwasser für die hydrologische Modellierung von Paleoseen in Riftgebieten unbedingt mit einbezogen werden muss. Darüber hinaus führt die Grundwasserverbindung dieser Riftseen zu einer Zeitverzögerung in deren Reaktionen, was eine nichtlineare Komponente darstellt und bei jeder Interpretation von Paleoseespiegeldaten beachtet werden muss. Der dritte Teil dieser Arbeit untersucht die intrasaisonale Niederschlagsvariabilität innerhalb von 11 Einzugsgebieten die im ersten Teil Arbeit vorgestellt wurden, mit Ausnahme des Viktoriasees, aber inklusive des Tanasees. Aus Satellitenbilddaten des FEWS NET der Jahre 1996-2010 wurden Niederschlagsabschätzungen für die Monatsreihen März-April-Mai (MAM), Juli-August-September (JAS), Oktober-November (ON) und Dezember-Januar-Februar (DJF) berechnet. Der jahreszeitliche Niederschlag wurde gemittelt und mit den dominierenden regionalen und lokalen Klimafaktoren korreliert. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche zwei- bis dreijährige Niederschlagsvariabilität. Die räumliche Niederschlagsverteilung innerhalb des Ostafrikanische Rifts im JAS ist an die Ausbildung und Stärke der Kongoluftmassengrenze (CAB) und an die Dynamik des Indischen Sommermonsuns gekoppelt, während sie im ON an die Stärke der positiven ENSO und IOD Phasen gebunden ist. Diese Doktorarbeit beschreibt den Einfluss von Grabenmorphologien, extremen Klimakontrasten innerhalb der Zuflussgebiete und die unterirdischen Beckenverbindung durch Störungszonen und poröse Gesteinsschichten zwischen den Riftseen. Damit zeigt sie die Unerlässlichkeit einer genauen Charakterisierung von Riftseen durch morphologische und klimatische Parameter, bevor von Seespiegelschwankungen und indirekten Datensätzen auf Klimaänderungen geschlossen werden kann. Desweiteren stellt diese Arbeit die hohe Empfindsamkeit dieser Seen gegenüber relativ moderaten Klimaänderungen und deren Konsequenzen für die insgesamte Wasserverfügbarkeit heraus.

The investigations of the clues for the optimum construction and optimum operation management, that is working point dependent regulation of the active power and reactive power, of a twice fed asynchronous generators by his application in wind power station with regard to the maximum efficiency in the fully and partial load range. The representation of an asynchronous generator by field-oriented regulation is suggested by a simplistic equivalent circuit diagram. The method of the calculation of the rated value of the rotor current components for different working conditions is shown, and the space vector modulation of these rated values with the help of a 4 quadrant converter is valued. A Scaling of the general machine design of a twice fed asynchronous generator for wind power station with following analysis with the help of Finite element method of the electromagnetic and thermal fields in the cross section of the asynchronous generator is carried out. The optimum operation management of the wind power station is investigated. / Die Untersuchungen der Anhaltspunkte für die optimale Auslegung und optimale Betriebsführung, das heißt arbeitspunktabhängige Regelung der Wirk- und Blindleistungen, eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators bei seinem Einsatz in Windkraftanlage bezüglich des maximalen Wirkungsgrades im Voll- und Teillastbereich. Die Darstellung eines Asynchrongenerators bei Feldorientierter Regelung wird durch ein vereinfachtes Ersatzschaltbild vorgeschlagen. Die Methode zur Berechnung der Sollwerte der Rotorstromkomponenten für verschiedene Betriebszustände wird dargestellt, und die Raumzeigermodulation dieser Sollwerte mit Hilfe eines 4-Quadranten-Stromrichters bewertet. Eine Skalierung des allgemeinen Maschinenentwurfes eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators für Windkraftanlage mit anschließender Analyse anhand Finite-Elemente-Methode der elektromagnetischen und thermischen Felder im Querschnitt des Asynchrongenerators wird durchgeführt. Die optimale Betriebsführung der Windkraftanlage wird untersucht.

Die Berücksichtigung der flächenhaften bodenhydraulischen Variabilität gilt bei der Modellierung von Wasser- und Stofftransportprozessen als problematisch. Dies liegt vorrangig an ihrer Erfassung, die kosten- und zeitintensiv ist. Die vorliegende Arbeit untersucht verschiedene Messstrategien, die zur Abbildung der flächenhaften Bodenhydraulik mit wenigen, einfach zu bestimmenden und physikalisch begründeten Bodenparametern führen. Die Vorgehensweise erfolgt mit der Anwendung eines Ähnlichkeitskonzeptes, das die Böden in bodenhydraulisch ähnliche Klassen unterteilt. Innerhalb einer Klasse kann die Variabilität der Retentions- und hydraulischen Leitfähigkeitcharakteristik auf einen freien Parameter (Skalierungsparameter) reduziert werden. Die Analyse der Zusammenhänge zwischen Boden- und Skalierungsparametern führt letztendlich zu den geeigneten Parametern die eine flächenhafte Abbildung möglich machen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung eines stochastischen Modellansatzes, der die Variabilität der Bodenhydraulik bei der Modellierung des Bodenwassertransportes im Feldmaßstab berücksichtigen kann. An Hand von drei Datensätzen unterschiedlicher Skalenausbreitung konnte dieses Konzept angewendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschreibung der hydraulischen Variabilität nur für die vertikale (Profil) nicht aber für die flächenhafte Ausbreitung mit einfachen Bodenparametern möglich ist. Mit einer ersten Modellanwendung konnte gezeigt werden, dass über die Variabilität der Bodenparameter Trockenrohdichte und Tongehalt auch die Variabilität der Bodenhydraulik und damit die Berechnung des Bodenfeuchteverlaufs am Standort darstellbar ist. / The consideration of the spatial variability of the unsaturated soil hydraulic characteristics still remains an unsolved problem in the modelling of the water and matter transport in the vadose zone. This can be mainly explained by the rather cumbersome measurement of this variability, which is both, time-consuming and cost-intensive. The presented thesis analyses various measurement strategies which aim at the description of the soil-hydraulic heterogeneity by a small number of proxy-parameters, which should be easily measurable and still have a soil-physical meaning. The developed approach uses a similarity concept, which groups soils into similar soil hydraulic classes. Within a class, the variability of the retention and hydraulic conductivity curves can be explained by a single parameter (scaling parameter). The analysis of the correlation between the soil parameters and the scaling parameters can eventually indicate which soil parameters can be used for describing the soil hydraulic variability in a given area. This investigation forms the basis for the further development of a stochastic model, which can integrate the soil-hydraulic variability in the modelling of the soil water transport. Three data sets, all covering different scales, were subsequently used in the application of the developed concept. The results show that depth development of the soil-hydraulic variability in a soil profile can be explained by a single soil parameter. Contrarily, the explanation of the horizontal variability of the soil-hydraulic properties was not possible with the given data sets. First model applications for a soil profile showed that including the variability of the soil parameters bulk density and clay fraction in the water transport simulations could describe the variability of the soil-hydraulic variability and thus, the dynamics of the soil water content at the investigated profile.

The investigations of the clues for the optimum construction and optimum operation management, that is working point dependent regulation of the active power and reactive power, of a twice fed asynchronous generators with regard to the maximum efficiency in the fully and partial load range by his application in wind power station. The representation of an asynchronous generator by field-oriented regulation is suggested by a simplistic equivalent circuit diagram. The method of the calculation of the rated value of the rotor current components for different working conditions is shown, and the space vector modulation of these rated values with the help of a 4 quadrant converter is valued. A Scaling of the general machine design of a twice fed asynchronous generator for wind power station with following analysis with the help of Finite element method of the electromagnetic and thermal fields in the cross section of the asynchronous generator is carried out. The optimum operation management of the wind power station is investigated. / Die Untersuchungen der Anhaltspunkte für die optimale Auslegung und optimale Betriebsführung, das heißt arbeitspunktabhängige Regelung der Wirk- und Blindleistungen, eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators bezüglich des maximalen Wirkungsgrades im Voll- und Teillastbereich bei seinem Einsatz in Windkraftanlage. Die Darstellung eines Asynchrongenerators bei Feldorientierter Regelung wird durch ein vereinfachtes Ersatzschaltbild vorgeschlagen. Die Methode zur Berechnung der Sollwerte der Rotorstromkomponenten für verschiedene Betriebszustände wird dargestellt, und die Raumzeigermodulation dieser Sollwerte mit Hilfe eines 4-Quadranten-Stromrichters bewertet. Eine Skalierung des allgemeinen Maschinenentwurfes eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators für Windkraftanlage mit anschließender Analyse anhand Finite-Elemente-Methode der elektromagnetischen und thermischen Felder im Querschnitt des Asynchrongenerators wird durchgeführt. Die optimale Betriebsführung der Windkraftanlage wird untersucht.

Mit dem Erreichen der Grenzen der konventionellen MOSFET-Skalierung werden neue Techniken untersucht, um die Leistungsfähigkeit der CMOS-Technologie dem bisherigen Trend folgend weiter zu steigern. Einer dieser Ansätze ist die Verwendung mechanischer Verspannungen im Transistorkanal. Mechanische Verspannungen führen zu Kristalldeformationen und ändern die elektronische Bandstruktur von Silizium, so dass n- und p-MOSFETs mit verspannten Kanälen erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeiten und demzufolge eine gesteigerte Leistungsfähigkeit aufweisen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen mechanischer Verspannungen auf die elektronischen Eigenschaften planarer Silicon-On-Insulator-MOSFETs für Höchstleistungsanwendungen sowie mit deren Optimierung und technologischen Begrenzungen. Der Effekt der Verspannung auf die Bandstruktur von Silizium und die Ladungsträgerbeweglichkeit wird zunächst systematisch mit Hilfe der empirischen Pseudopotenzialmethode und der Deformationspotenzialtheorie untersucht. Verringerte Streuraten und kleinere effektive Massen als Folge der Aufspaltung der Energiebänder sowie von Bandverformungen sind der Hauptgrund für eine erhöhte Löcher- bzw. Elektronenbeweglichkeit. Die unterschiedlichen Konzepte zur Erzeugung der Verspannung werden kurz rekapituliert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf den verspannten Deckschichten, den Si1-xGex- bzw. Si1-yCy- Source/Drain-Gebieten, den verspannungsspeichernden Prozessen und den verspannten Substraten. Die starke Abhängigkeit dieser Verspannungstechniken von der Transistorstruktur macht die Nutzung numerischer Simulationen unabdingbar. So werden die Auswirkungen von Variationen der Transistorgeometrie sowie von Prozessparametern im Hinblick auf die Verspannung und die Drainstromänderungen der Transistoren neben den Messungen am gefertigten Transistor auch anhand numerischer Simulationen dargestellt und verglichen. Wesentliche Parameter für eine erhöhte Verspannung werden bestimmt und technologische Herausforderungen bei der Prozessintegration diskutiert. Die durchgeführten Simulationen und das erlangte Verständnis der Wirkungsweise der Verspannungstechniken ermöglichen es, das Potenzial dieser Verspannungstechniken für weitere Leistungssteigerungen in zukünftigen Technologiegenerationen abzuschätzen. Dadurch ist es möglich, die Prozessbedingungen und die Eigenschaften der fertigen Bauelemente im Hinblick auf eine gesteigerte Leistungsfähigkeit hin zu optimieren. Mit der weiteren Verkleinerung der Strukturgrößen der Bauelemente wird der zunehmende Einfluss der parasitären Source/Drain-Widerstände als Begrenzung der Effektivität der Verspannungstechniken identifiziert. Anschließend werden die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Verspannungstechniken hervorgehoben bzw. die gegebenenfalls auftretenden Einschränkungen angesprochen. Abschließend wird das Transportverhalten sowohl im linearen ohmschen Bereich als auch unter dem Einfluss hoher elektrischer Feldstärken analysiert und die deutlichen Unterschiede für die Leistungssteigerungen der verspannten n- und p-MOSFETs begründet. / As conventional MOSFET scaling is reaching its limits, several novel techniques are investigated to extend the CMOS roadmap. One of these techniques is the introduction of mechanical strain in the silicon transistor channel. Because strain changes the inter-atomic distances and thus the electronic band structure of silicon, ntype and p-type transistors with strained channels can show enhanced carrier mobility and performance. The purpose of this thesis is to analyze and understand the effects of strain on the electronic properties of planar silicon-on-insulator MOSFETs for high-performance applications as well as the optimization of various stress techniques and their technological limitations. First, the effect of strain on the electronic band structure of silicon and the carrier mobility is studied systematically using the empirical pseudopotential method and the deformation potential theory. Strain-induced energy band splitting and band deformations alter the electron and hole mobility through modulated effective masses and modified scattering rates. The various concepts for strain generation inside the transistor channel are reviewed. The focus of this work is on strained overlayer films, strained Si1-xGex and Si1-yCy in the source/drain regions, stress memorization techniques and strained substrates. It is shown, that strained silicon based improvements are highly sensitive to the device layout and geometry. For that reason, numerical simulations are indispensable to analyze the efficiency of the strain techniques to transfer strain into the channel. In close relation with experimental work the results from detailed simulation studies including parameter variations and material analyses are presented, as well as a thorough investigation of critical parameters to increase the strain in the transistor channel. Thus, the process conditions and the properties of the fabricated devices can be optimized with respect to higher performance. In addition, technological limitations are discussed and the potential of the different strain techniques for further performance enhancements in future technology generations is evaluated. With the continuing reduction in device dimensions the detrimental impact of the parasitic source/drain resistance on device performance is quantified and projected to be the bottleneck for strain-induced performance improvements. Next, the effects from a combination of individual strain techniques are studied and their interactions or possible restrictions are highlighted. Finally, the transport properties in the low-field transport regime as well as under high electrical fields are analyzed and the notable differences between strained n-type and p-type transistors are discussed.

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