With increasing frequency up to the THz frequency range and the desire to optimize performance of modern applications, precise knowledge of the dielectric material parameters of a substrate being used in a planar application is crucial: High performance of the desired device or circuit can often be achieved only by properly designing it, using specific values for the material properties. Especially the integration of planar devices for very broadband applications at high frequencies often demands specific dielectric properties such as a low permittivity, dispersion and loss, assuring a predictable performance over a broad frequency range. Therefore, material characterization at these frequencies is of interest to the developing THz community, although not a lot of methods suitable in terms of frequency range and measurement setup exist yet. In this work, a comprehensive method for dielectric material parameter determination from S-Parameter measurements of unloaded and loaded planar transmission lines up to THz frequencies is developed. A measurement setup and methodology based on wafer prober measurements is established, which allows for characterization of planar substrates and bulk material samples alike. In comparison with most existing methods, no specialized measurement cell or cumbersome micro-machining of material samples is necessary. The required theory is developed, including a discussion of effective parameter extraction methods from measurement, identification of and correction for undesired transmission line effects such as higher order modes, internal inductance and surface roughness, as well as mapping and modelling procedures based on physical permittivity models and electromagnetic simulations. Due to the general approach and modular structure of the developed method, new models to cover additional aspects or enhance its performance even further are easily implementable. Measurement results from 100 MHz to 500 GHz for planar substrates and from 100 MHz to 220 GHz for bulk material samples emphasize the general applicability of the developed method. It is inherently broadband, while the upper frequency limit is only subject to the fabrication capabilities of modern planar technology (i.e. minimum planar dimensions of transmission lines and height of substrate) and thus is easily extendable to higher frequencies. Furthermore, the developed method is not bound to a specific measurement setup and applicable with other measurement setups as well, as is exemplary presented for a free-space setup using antennas, enabling measurement of large, flat material samples not fitting on the wafer prober. Several substrate and bulk material samples covering a wide range of permittivities and material classes are characterized and compared with reference values from literature and own comparison measurements. The uncertainties for both planar substrate as well as bulk material sample measurements are estimated with a single-digit percentage. For all measurements, the order of magnitude of the dielectric loss tangent can be determined, while the lower resolution boundary for bulk material sample measurements is estimated to 0.01. Concerning measurements in the wafer prober environment, fixture-related issues are a main cause of measurement uncertainty. This topic is discussed as well as the design of on-wafer probe pads and custom calibration standards required for broadband operation at THz frequencies. / Mit zunehmender Erschließung des THz-Frequenzbereichs und der zugehörigen Optimierung moderner Anwendungen ist eine genaue Kenntnis der dielektrischen Materialparameter verwendeter planarer Substrate unabdingbar: Eine hohe Performance angestrebter Bauteile oder Schaltungen kann nur durch einen präzisen Entwurf sichergestellt werden, wofür spezifische Werte für die Materialeigenschaften bekannt sein müssen. Insbesondere die Integration planarer Bauelemente für sehr breitbandige Anwendungen bei hohen Frequenzen bedingt spezifische dielektrische Materialeigenschaften, wie bspw. geringe Permittivität, Dispersion und Verluste, sodass eine vorhersagbare Performance über einen breiten Frequenzbereich sichergestellt werden kann. Materialcharakterisierung bei diesen Frequenzen ist folglich von Interesse für die sich entwickelnde THz-Forschungslandschaft, wenngleich derzeit kaum Verfahren existieren, die geeignet in Bezug auf den Frequenzbereich oder Messaufbau sind. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein umfassendes Verfahren zur Bestimmung der dielektrischen Materialparameter aus S-Parameter-Messungen unbelasteter und belasteter planarer Leitungen bis in den THz-Bereich entwickelt. Ein Messaufbau mitsamt Messmethodik basierend auf Wafer Prober-Messungen wird entworfen, welcher die Charakterisierung von planaren Substraten und losen Materialproben ermöglicht. Im Vergleich zu existierenden Verfahren ist weder eine spezielle Messzelle noch eine umständliche Mikrobearbeitung der Materialproben notwendig. Die Entwicklung der hierfür notwendigen Theorie beinhaltet eine Diskussion von Methoden zur Extraktion effektiver Parameter aus Messungen, die Identifikation und Korrektur unerwünschter Leitungseffekte wie bspw. höherer Moden, interner Induktivität und Oberflächenrauhigkeit sowie Zuordnungs- und Modellierungsverfahren basierend auf physikalischen Permittivitätsmodellen und elektromagnetischen Simulationen. Durch den allgemeinen, modularen Ansatz des entwickelten Verfahrens lassen sich neue Modelle zur Berücksichtigung zusätzlicher Effekte oder weiteren Verbesserung der Performance einfach einarbeiten. Messergebnisse von 100 MHz bis 500 GHz für planare Substrate und von 100 MHz bis 220 GHz für lose Materialproben unterstreichen die allgemeine Anwendbarkeit des entwickelten Verfahrens. Es ist inhärent breitbandig, wobei eine obere Frequenzgrenze nur durch die Fertigungstoleranzen moderner planarer Technologien gegeben ist (minimale Leitungsdimensionen und Substrathöhe), sodass es einfach zu höheren Frequenzen hin erweiterbar ist. Weiterhin ist das entwickelte Verfahren nicht an einen bestimmten Messaufbau gebunden und auch mit weiteren Aufbauten anwendbar, wie beispielhaft an einem Freiraum-Aufbau mit Antennen präsentiert wird. Eine Vielzahl planarer Substrate und loser Materialproben, die ein weites Spektrum an Permittivitäten und Materialklassen abdecken, werden charakterisiert und mit Referenzdaten aus der Literatur sowie eigenen Messungen verglichen. Die Messunsicherheiten der Permittivitätsmessungen werden im einstelligen Prozentbereich abgeschätzt und der dielektrische Verlustwinkel kann in seiner Größenordnung bestimmt werden. Aufbaubezogene Einflüsse als eine Hauptursache für Messunsicherheiten am Wafer Prober werden adressiert, ebenso wie der Entwurf von On-Wafer Probe Pads und selbsterstellter Kalibrierstandards, die notwendig sind für den Einsatz bei THz-Frequenzen.

Motion planning problems are characterized by huge search spaces and complex obstacle structures with no concise mathematical expression. The fixed-wing airplane application considered in this thesis adds differential constraints and point-wise bounds, i. e. an infinite number of equality and inequality constraints. An optimal trajectory planning approach is presented, based on the randomized Rapidly-exploring Random Trees framework (RRT*). The local planner relies on differential flatness of the equations of motion to obtain tree branch candidates that automatically satisfy the differential constraints. Flat output trajectories, in this case equivalent to the airplane's flight path, are designed using Bézier curves. Segment feasibility in terms of point-wise inequality constraints is tested by an indicator integral, which is evaluated alongside the segment cost functional. Although the RRT* guarantees optimality in the limit of infinite planning time, it is argued by intuition and experimentation that convergence is not approached at a practically useful rate. Therefore, the randomized planner is augmented by a deterministic variational optimization technique. To this end, the optimal planning task is formulated as a semi-infinite optimization problem, using the intermediate result of the RRT(*) as an initial guess. The proposed optimization algorithm follows the feasible flavor of the primal-dual interior point paradigm. Discretization of functional (infinite) constraints is deferred to the linear subproblems, where it is realized implicitly by numeric quadrature. An inherent numerical ill-conditioning of the method is circumvented by a reduction-like approach, which tracks active constraint locations by introducing new problem variables. Obstacle avoidance is achieved by extending the line search procedure and dynamically adding obstacle-awareness constraints to the problem formulation. Experimental evaluation confirms that the hybrid approach is practically feasible and does indeed outperform RRT*'s built-in optimization mechanism, but the computational burden is still significant. / Bewegungsplanungsaufgaben sind typischerweise gekennzeichnet durch umfangreiche Suchräume, deren vollständige Exploration nicht praktikabel ist, sowie durch unstrukturierte Hindernisse, für die nur selten eine geschlossene mathematische Beschreibung existiert. Bei der in dieser Arbeit betrachteten Anwendung auf Flächenflugzeuge kommen differentielle Randbedingungen und beschränkte Systemgrößen erschwerend hinzu. Der vorgestellte Ansatz zur optimalen Trajektorienplanung basiert auf dem Rapidly-exploring Random Trees-Algorithmus (RRT*), welcher die Suchraumkomplexität durch Randomisierung beherrschbar macht. Der spezifische Beitrag ist eine Realisierung des lokalen Planers zur Generierung der Äste des Suchbaums. Dieser erfordert ein flaches Bewegungsmodell, sodass differentielle Randbedingungen automatisch erfüllt sind. Die Trajektorien des flachen Ausgangs, welche im betrachteten Beispiel der Flugbahn entsprechen, werden mittels Bézier-Kurven entworfen. Die Einhaltung der Ungleichungsnebenbedingungen wird durch ein Indikator-Integral überprüft, welches sich mit wenig Zusatzaufwand parallel zum Kostenfunktional berechnen lässt. Zwar konvergiert der RRT*-Algorithmus (im probabilistischen Sinne) zu einer optimalen Lösung, jedoch ist die Konvergenzrate aus praktischer Sicht unbrauchbar langsam. Es ist daher naheliegend, den Planer durch ein gradientenbasiertes lokales Optimierungsverfahren mit besseren Konvergenzeigenschaften zu unterstützen. Hierzu wird die aktuelle Zwischenlösung des Planers als Initialschätzung für ein kompatibles semi-infinites Optimierungsproblem verwendet. Der vorgeschlagene Optimierungsalgorithmus erweitert das verbreitete innere-Punkte-Konzept (primal dual interior point method) auf semi-infinite Probleme. Eine explizite Diskretisierung der funktionalen Ungleichungsnebenbedingungen ist nicht erforderlich, denn diese erfolgt implizit durch eine numerische Integralauswertung im Rahmen der linearen Teilprobleme. Da die Methode an Stellen aktiver Nebenbedingungen nicht wohldefiniert ist, kommt zusätzlich eine Variante des Reduktions-Ansatzes zum Einsatz, bei welcher der Vektor der Optimierungsvariablen um die (endliche) Menge der aktiven Indizes erweitert wird. Weiterhin wurde eine Kollisionsvermeidung integriert, die in den Teilschritt der Liniensuche eingreift und die Problemformulierung dynamisch um Randbedingungen zur lokalen Berücksichtigung von Hindernissen erweitert. Experimentelle Untersuchungen bestätigen, dass die Ergebnisse des hybriden Ansatzes aus RRT(*) und numerischem Optimierungsverfahren der klassischen RRT*-basierten Trajektorienoptimierung überlegen sind. Der erforderliche Rechenaufwand ist zwar beträchtlich, aber unter realistischen Bedingungen praktisch beherrschbar.

Thin film metal–insulator–metal capacitors with undoped HfO₂ as the insulator are fabricated by sputtering from ceramic targets and subsequently annealed. The influence of film thickness and annealing temperature is characterized by electrical and structural methods. After annealing, the films show distinct ferroelectric properties. Grazing incidence X-ray diffraction measurements reveal a dominant ferroelectric orthorhombic phase for thicknesses in the 10–50 nm range and a negligible non-ferroelectric monoclinic phase fraction. Sputtering HfO₂ with additional oxygen during the deposition decreases the remanent polarization. Overall, the impact of oxygen vacancies and interstitials in the HfO₂ film during deposition and annealing is correlated to the phase formation process.

This article corrects the following: 'Origin of Ferroelectric Phase in Undoped HfO2 Films Deposited by Sputtering' Advanced Materials Interfaces 6(11) 2019, first Published online: April 29, 2019

Das Hauptthema ist die dynamische Ressourcenverwaltung in eingebetteten Systemen, insbesondere die Verwaltung von Rechenzeit und Netzwerkverkehr auf einem MPSoC. Die Idee besteht darin, eine Pipeline für die Verarbeitung von Mobiler Kommunikation auf dem Chip dynamisch zu schedulen, um die Effizienz der Hardwareressourcen zu verbessern, ohne den Ressourcenverbrauch des dynamischen Schedulings dramatisch zu erhöhen. Sowohl Software- als auch Hardwaremodule werden auf Hotspots im Ressourcenverbrauch untersucht und optimiert, um diese zu entfernen. Da Applikationen im Bereich der Signalverarbeitung normalerweise mit Hilfe von SDF-Diagrammen beschrieben werden können, wird deren dynamisches Scheduling optimiert, um den Ressourcenverbrauch gegenüber dem üblicherweise verwendeten statischen Scheduling zu verbessern. Es wird ein hybrider dynamischer Scheduler vorgestellt, der die Vorteile von Processing-Networks und der Planung von Task-Graphen kombiniert. Es ermöglicht dem Scheduler, ein Gleichgewicht zwischen der Parallelisierung der Berechnung und der Zunahme des dynamischen Scheduling-Aufands optimal abzuwägen. Der resultierende dynamisch erstellte Schedule reduziert den Ressourcenverbrauch um etwa 50%, wobei die Laufzeit im Vergleich zu einem statischen Schedule nur um 20% erhöht wird. Zusätzlich wird ein verteilter dynamischer SDF-Scheduler vorgeschlagen, der das Scheduling in verschiedene Teile zerlegt, die dann zu einer Pipeline verbunden werden, um mehrere parallele Prozessoren einzubeziehen. Jeder Scheduling-Teil wird zu einem Cluster mit Load-Balancing erweitert, um die Anzahl der parallel laufenden Scheduling-Jobs weiter zu erhöhen. Auf diese Weise wird dem vorhandene Engpass bei dem dynamischen Scheduling eines zentralisierten Schedulers entgegengewirkt, sodass 7x mehr Prozessoren mit dem Pipelined-Clustered-Dynamic-Scheduler für eine typische Signalverarbeitungsanwendung verwendet werden können. Das neue dynamische Scheduling-System setzt das Vorhandensein von drei verschiedenen Kommunikationsmodi zwischen den Verarbeitungskernen voraus. Bei der Emulation auf Basis des häufig verwendeten RDMA-Protokolls treten Leistungsprobleme auf. Sehr gut kann RDMA für einmalige Punkt-zu-Punkt-Datenübertragungen verwendet werden, wie sie bei der Ausführung von Task-Graphen verwendet werden. Process-Networks verwenden normalerweise Datenströme mit hohem Volumen und hoher Bandbreite. Es wird eine FIFO-basierte Kommunikationslösung vorgestellt, die einen zyklischen Puffer sowohl im Sender als auch im Empfänger implementiert, um diesen Bedarf zu decken. Die Pufferbehandlung und die Datenübertragung zwischen ihnen erfolgen ausschließlich in Hardware, um den Software-Overhead aus der Anwendung zu entfernen. Die Implementierung verbessert die Zugriffsverwaltung mehrerer Nutzer auf flächen-effiziente Single-Port Speichermodule. Es werden 0,8 der theoretisch möglichen Bandbreite, die normalerweise nur mit flächenmäßig teureren Dual-Port-Speichern erreicht wird. Der dritte Kommunikationsmodus definiert eine einfache Message-Passing-Implementierung, die ohne einen Verbindungszustand auskommt. Dieser Modus wird für eine effiziente prozessübergreifende Kommunikation des verteilten Scheduling-Systems und der engen Ansteuerung der restlichen Prozessoren benötigt. Eine Flusskontrolle in Hardware stellt sicher, dass eine große Anzahl von Sendern Nachrichten an denselben Empfänger senden kann. Dabei wird garantiert, dass alle Nachrichten korrekt empfangen werden, ohne dass eine Verbindung hergestellt werden muss und die Nachrichtenlaufzeit gering bleibt. Die Arbeit konzentriert sich auf die Optimierung des Codesigns von Hardware und Software, um die kompromisslose Ressourceneffizienz der dynamischen SDF-Graphen-Planung zu erhöhen. Besonderes Augenmerk wird auf die Abhängigkeiten zwischen den Ebenen eines verteilten Scheduling-Systems gelegt, das auf der Verfügbarkeit spezifischer hardwarebeschleunigter Kommunikationsmethoden beruht.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 The Multiprocessor System on Chip Architecture 1.3 Concrete MPSoC Architecture 1.4 Representing LTE/5G baseband processing as Static Data Flow 1.5 Compuation Stack 1.6 Performance Hotspots Addressed 1.7 State of the Art 1.8 Overview of the Work 2 Hybrid SDF Execution 2.1 Addressed Performance Hotspot 2.2 State of the Art 2.3 Static Data Flow Graphs 2.4 Runtime Environment 2.5 Overhead of Deloying Tasks to a MPSoC 2.6 Interpretation of SDF Graphs as Task Graphs 2.7 Interpreting SDF Graphs as Process Networks 2.8 Hybrid Interpretation 2.9 Graph Topology Considerations 2.10 Theoretic Impact of Hybrid Interpretation 2.11 Simulating Hybrid Execution 2.12 Pipeline SDF Graph Example 2.13 Random SDF Graphs 2.14 LTE-like SDF Graph 2.15 Key Lernings 3 Distribution of Management 3.1 Addressed Performance Hotspot 3.2 State of the Art 3.3 Revising Deployment Overhead 3.4 Distribution of Overhead 3.5 Impact of Management Distribution to Resource Utilization 3.6 Reconfigurability 3.7 Key Lernings 4 Sliced FIFO Hardware 4.1 Addressed Performance Hotspot 4.2 State of the Art 4.3 System Environment 4.4 Sliced Windowed FIFO buffer 4.5 Single FIFO Evaluation 4.6 Multiple FIFO Evalutaion 4.7 Hardware Implementation 4.8 Key Lernings 5 Message Passing Hardware 5.1 Addressed Performance Hotspot 5.2 State of the Art 5.3 Message Passing Regarded as Queueing 5.4 A Remote Direct Memory Access Based Implementation 5.5 Hardware Implementation Concept 5.6 Evalutation of Performance 5.7 Key Lernings 6 Summary / The main topic is the dynamic resource allocation in embedded systems, especially the allocation of computing time and network traffic on an multi processor system on chip (MPSoC). The idea is to dynamically schedule a mobile communication signal processing pipeline on the chip to improve hardware resource efficiency while not dramatically improve resource consumption because of dynamic scheduling overhead. Both software and hardware modules are examined for resource consumption hotspots and optimized to remove them. Since signal processing can usually be described with the help of static data flow (SDF) graphs, the dynamic handling of those is optimized to improve resource consumption over the commonly used static scheduling approach. A hybrid dynamic scheduler is presented that combines benefits from both processing networks and task graph scheduling. It allows the scheduler to optimally balance parallelization of computation and addition of dynamic scheduling overhead. The resulting dynamically created schedule reduces resource consumption by about 50%, with a runtime increase of only 20% compared to a static schedule. Additionally, a distributed dynamic SDF scheduler is proposed that splits the scheduling into different parts, which are then connected to a scheduling pipeli ne to incorporate multiple parallel working processors. Each scheduling stage is reworked into a load-balanced cluster to increase the number of parallel scheduling jobs further. This way, the still existing dynamic scheduling bottleneck of a centralized scheduler is widened, allowing handling 7x more processors with the pipelined, clustered dynamic scheduler for a typical signal processing application. The presented dynamic scheduling system assumes the presence of three different communication modes between the processing cores. When emulated on top of the commonly used remote direct memory access (RDMA) protocol, performance issues are encountered. Firstly, RDMA can neatly be used for single-shot point-to-point data transfers, like used in task graph scheduling. Process networks usually make use of high-volume and high-bandwidth data streams. A first in first out (FIFO) communication solution is presented that implements a cyclic buffer on both sender and receiver to serve this need. The buffer handling and data transfer between them are done purely in hardware to remove software overhead from the application. The implementation improves the multi-user access to area-efficient single port on-chip memory modules. It achieves 0.8 of the theoretically possible bandwidth, usually only achieved with area expensive dual-port memories. The third communication mode defines a lightweight message passing (MP) implementation that is truly connectionless. It is needed for efficient inter-process communication of the distributed and clustered scheduling system and the worker processing units’ tight coupling. A hardware flow control assures that an arbitrary number of senders can spontaneously start sending messages to the same receiver. Yet, all messages are guaranteed to be correctly received while eliminating the need for connection establishment and keeping a low message delay. The work focuses on the hardware-software codesign optimization to increase the uncompromised resource efficiency of dynamic SDF graph scheduling. Special attention is paid to the inter-level dependencies in developing a distributed scheduling system, which relies on the availability of specific hardwareaccelerated communication methods.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 The Multiprocessor System on Chip Architecture 1.3 Concrete MPSoC Architecture 1.4 Representing LTE/5G baseband processing as Static Data Flow 1.5 Compuation Stack 1.6 Performance Hotspots Addressed 1.7 State of the Art 1.8 Overview of the Work 2 Hybrid SDF Execution 2.1 Addressed Performance Hotspot 2.2 State of the Art 2.3 Static Data Flow Graphs 2.4 Runtime Environment 2.5 Overhead of Deloying Tasks to a MPSoC 2.6 Interpretation of SDF Graphs as Task Graphs 2.7 Interpreting SDF Graphs as Process Networks 2.8 Hybrid Interpretation 2.9 Graph Topology Considerations 2.10 Theoretic Impact of Hybrid Interpretation 2.11 Simulating Hybrid Execution 2.12 Pipeline SDF Graph Example 2.13 Random SDF Graphs 2.14 LTE-like SDF Graph 2.15 Key Lernings 3 Distribution of Management 3.1 Addressed Performance Hotspot 3.2 State of the Art 3.3 Revising Deployment Overhead 3.4 Distribution of Overhead 3.5 Impact of Management Distribution to Resource Utilization 3.6 Reconfigurability 3.7 Key Lernings 4 Sliced FIFO Hardware 4.1 Addressed Performance Hotspot 4.2 State of the Art 4.3 System Environment 4.4 Sliced Windowed FIFO buffer 4.5 Single FIFO Evaluation 4.6 Multiple FIFO Evalutaion 4.7 Hardware Implementation 4.8 Key Lernings 5 Message Passing Hardware 5.1 Addressed Performance Hotspot 5.2 State of the Art 5.3 Message Passing Regarded as Queueing 5.4 A Remote Direct Memory Access Based Implementation 5.5 Hardware Implementation Concept 5.6 Evalutation of Performance 5.7 Key Lernings 6 Summary

Thin-film silicon tandem solar cells based on a hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) top-cell and a hydrogenated microcrystalline silicon (μc-Si:H) bottom-cell are a promising photovoltaic technology as they use a combination of absorber materials that is ideally suited for the solar spectrum. Additionally, the involved materials are abundant and non-toxic which is important for the manufacturing and application on a large scale. One of the most important factors for the application of photovoltaic technologies is the cost per watt. There are several ways to reduce this figure: increasing the efficiency of the solar cells, reducing the material consumption and increasing the throughput of the manufacturing equipment. The use of very-high frequencies has been proven to be beneficial for the material quality at high deposition rates thus enabling a high throughput and high solar cell efficiencies. In the present work a scalable very-high frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition (VHF-PECVD) technique for state-of-the-art solar cells is developed. Linear plasma sources are applied which facilitate the use of very-high frequencies on large areas without compromising on the homogeneity of the deposition process. The linear plasma sources require a dynamic deposition process with the substrate passing by the electrodes in order to achieve a homogeneous deposition on large areas. State-of-the-art static radio-frequency (RF) PECVD processes are used as a reference in order to assess the potential of a dynamic VHF-PECVD technique for the growth of high-quality a-Si:H and μc-Si:H absorber layers at high rates. In chapter 4 the influence of the deposition process of the μc-Si:H i-layer on the solar cell performance is studied for static deposition processes. It is shown that the correlation between the i-layer growth rate, its crystallinity and the solar cell performance is similar for VHF- and RF-PECVD processes despite the different electrode configurations, excitation frequencies and process regimes. It is found that solar cells incorporating i-layers grown statically using VHF-PECVD processes obtain a state-of-the-art efficiency close to 8 % for growth rates up to 1.4 nm/s compared to 0.53 nm/s for RF-PECVD processes. The influence of dynamic deposition processes on the performance of μc-Si:H solar cells is studied. It is found that μc-Si:H solar cells incorporating dynamically grown i-layers obtain an efficiency of 7.3 % at a deposition rate of 0.95 nm/s. There is a small negative influence of the dynamic deposition process on the solar cell efficiency compared to static deposition processes which is related to the changing growth conditions the substrate encounters during a dynamic i-layer deposition process. The changes in gas composition during a dynamic i-layer deposition process using the linear plasma sources are studied systematically using a static RF-PECVD regime and applying a time-dependent gas composition. The results show that the changes in the gas composition affect the solar cell performance if they exceed a critical level. In chapter 5 dynamic VHF-PECVD processes for a-Si:H are developed in order to investigate the influence of the i-layer growth rate, process parameters and deposition technique on the solar performance and light-induced degradation. The results in this work indicate that a-Si:H solar cells incorporating i-layers grown dynamically by VHF-PECVD using linear plasma sources perform as good and better as solar cells with i-layers grown statically by RF-PECVD at the same deposition rate. State-of-the-art stabilized a-Si:H solar cell efficiencies of 7.6 % are obtained at a growth rate of 0.35 nm/s using dynamic VHF-PECVD processes. It is found that the stabilized efficiency of the a-Si:H solar cells strongly decreases with the i-layer deposition rate. A simplified model is presented that is used to obtain an estimate for the deposition rate dependent efficiency of an a-Si:H/μc-Si:H tandem solar cell based on the photovoltaic parameters of the single-junction solar cells. The aim is to investigate the individual influences of the a-Si:H and μc-Si:H absorber layer deposition rates on the performance of the tandem solar cell. The results show that a high deposition rate of the μc-Si:H absorber layer has a much higher potential for reducing the total deposition time of the absorber layers compared to high deposition rates for the a-Si:H absorber layer. Additionally, it is found that high deposition rates for a-Si:H have a strong negative impact on the tandem solar cell performance while the tandem solar cell efficiency remains almost constant for higher μc-Si:H deposition rates. It is concluded that the deposition rate of the μc-Si:H absorber layer is key to reduce the total deposition time without compromising on the tandem solar cell performance. The developed VHF-PECVD technique using linear plasma sources is capable of meeting this criterion while promoting a path to scale the processes to large substrate areas.

As the wireless communication technologies evolve and the demand of wireless services increases, spectrum scarcity becomes a bottleneck that limits the introduction of new technologies and services. Spectrum sharing between primary and secondary users has been brought up to improve spectrum efficiency. In underlay spectrum sharing, the secondary user transmits simultaneously with the primary user, under the constraint that the interference induced at the primary receiver is below a certain threshold, or a certain primary rate requirement has to be satisfied. Specifically, in this thesis, the coexistence of a multiple-input single-output (MISO) primary link and a MISO/multiple-input multiple-output (MIMO) secondary link is studied. The primary transmitter employs maximum ratio transmission (MRT), and single-user decoding is deployed at the primary receiver. Three scenarios are investigated, in terms of the interference from the primary transmitter to the secondary receiver, namely, weak interference, strong interference and very strong interference, or equivalently three ranges of primary rate requirement. Rate splitting and successive decoding are deployed at the secondary transmitter and receiver, respectively, when it is feasible, and otherwise single-user decoding is deployed at the secondary receiver. For each scenario, optimal beamforming/precoding and power allocation at the secondary transmitter is derived, to maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that rate splitting at the secondary transmitter and successive decoding at the secondary receiver does significantly increase the achievable secondary rate if feasible, compared with single-user decoding at the secondary receiver. In overlay spectrum sharing, different from underlay spectrum sharing, the secondary transmitter can utilize the knowledge of the primary message, which is acquired non-causally (i.e., known in advance before transmission) or causally (i.e., acquired in the first phase of a two-phase transmission), to help transmit the primary message besides its own message. Specifically, the coexistence of a MISO primary link and a MISO/MIMO secondary link is studied. When the secondary transmitter has non-causal knowledge of the primary message, dirty-paper coding (DPC) can be deployed at the secondary transmitter to precancel the interference (when decoding the secondary message at the secondary receiver), due to the transmission of the primary message from both transmitters. Alternatively, due to the high implementation complexity of DPC, linear precoding can be deployed at the secondary transmitter. In both cases, the primary transmitter employs MRT, and single-user decoding is deployed at the primary receiver; optimal beamforming/precoding and power allocation at the secondary transmitter is obtained, to maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that with non-causal knowledge of the primary message and the deployment of DPC at the secondary transmitter, overlay spectrum sharing can achieve a significantly higher secondary rate than underlay spectrum sharing, while rate loss occurs with the deployment of linear precoding instead of DPC at the secondary transmitter. When the secondary transmitter does not have non-causal knowledge of the primary message, and still wants to help with the primary transmission in return for the access to the spectrum, it can relay the primary message in an amplify-and-forward (AF) or a decode-and-forward (DF) way in a two-phase transmission, while transmitting its own message. The primary link adapts its transmission strategy and cooperates with the secondary link to fulfill its rate requirement. To maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the primary and secondary power constraints, in the case of AF cooperative spectrum sharing, optimal relaying matrix and beamforming vector at the secondary transmitter is obtained; in the case of DF cooperative spectrum sharing, a set of parameters are optimized, including time duration of the two phases, primary transmission strategies in the two phases and secondary transmission strategy in the second phase. Numerical results show that with the cooperation from the secondary link, the primary link can avoid outage effectively, especially when the number of antennas at the secondary transceiver is large, while the secondary link can achieve a significant rate. Power is another precious resource besides spectrum. Instead of spectrum efficiency, energy-efficient spectrum sharing focuses on the energy efficiency (EE) optimization of the secondary transmission. The EE of the secondary transmission is defined as the ratio of the achievable secondary rate and the secondary power consumption, which includes both the transmit power and the circuit power at the secondary transmitter. For simplicity, the circuit power is modeled as a constant. Specifically, the EE of a MIMO secondary link in underlay spectrum sharing is studied. Three transmission strategies are introduced based on the primary rate requirement and the channel conditions. Rate splitting and successive decoding are deployed at the secondary transmitter and receiver, respectively, when it is feasible, and otherwise single-user decoding is deployed at the secondary receiver. For each case, optimal transmit covariance matrices at the secondary transmitter are obtained, to maximize the EE of the secondary transmission while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Based on this, an energy-efficient resource allocation algorithm is proposed. Numerical results show that MIMO underlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a significantly higher EE compared with MIMO underlay spectrum sharing with rate optimization, at certain SNRs and with certain circuit power, at the cost of the achievable secondary rate, while saving the transmit power. With rate splitting at the secondary transmitter and successive decoding at the secondary receiver if feasible, a significantly higher EE can be achieved compared with the case when only single-user decoding is deployed at the secondary receiver. Moreover, the EE of a MIMO secondary link in overlay spectrum sharing is studied, where the secondary transmitter has non-causal knowledge of the primary message and employs DPC to obtain an interference-free secondary link. Energy-efficient precoding and power allocation is obtained to maximize the EE of the secondary transmission while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that MIMO overlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a significantly higher EE compared with MIMO overlay spectrum sharing with rate optimization, at certain SNRs and with certain circuit power, at the cost of the achievable secondary rate, while saving the transmit power. MIMO overlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a higher EE compared with MIMO underlay spectrum sharing with EE optimization. / Aufgrund der rasanten Entwicklung im Bereich der drahtlosen Kommunikation und der ständig steigenden Nachfrage nach mobilen Anwendungen ist die Knappheit von Frequenzbändern ein entscheidender Engpass, der die Einführung neuer Funktechnologien behindert. Die gemeinsame Benutzung von Frequenzen (Spektrum-Sharing) durch primäre und sekundäre Nutzer ist eine Möglichkeit, die Effizienz bei der Verwendung des Spektrums zu verbessern. Bei der Methode des Underlay-Spektrum-Sharing sendet der sekundäre Nutzer zeitgleich mit dem primären Nutzer unter der Einschränkung, dass für den primären Nutzer die erzeugte Interferenz unterhalb eines Schwellwertes liegt oder gewisse Anforderungen an die Datenrate erfüllt werden. In diesem Zusammenhang wird in der Arbeit insbesondere die Koexistenz von Mehrantennensystemen untersucht. Dabei wird für die primäre Funkverbindung der Fall mit mehreren Sendeantennen und einer Empfangsantenne (MISO) angenommen. Für die sekundäre Funkverbindung werden mehrere Sendeantennen und sowohl eine als auch mehrere Empfangsantennen (MISO/MIMO) betrachtet. Der primäre Sender verwendet Maximum-Ratio-Transmission (MRT) und der primäre Empfänger Einzelnutzerdecodierung. Für den sekundären Nutzer werden außerdem am Sender eine Datenratenaufteilung (rate splitting) und am Empfänger entweder eine sukzessive Decodierung – sofern sinnvoll – oder andernfalls eine Einzelnutzerdecodierung verwendet. Im Unterschied zur Methode des Underlay-Spektrum-Sharing kann der sekundäre Nutzer beim Verfahren des Overlay-Spektrum-Sharing die Kenntnis über die Nachrichten des primären Nutzers einsetzen, um die Übertragung sowohl der eigenen als auch der primären Nachrichten zu unterstützen. Das Wissen über die Nachrichten erhält er entweder nicht-kausal, d.h. vor der Übertragung, oder kausal, d.h. während der ersten Phase einer zweistufigen Übertragung. In der Arbeit wird speziell die Koexistenz von primären MISO-Funkverbindungen und sekundären MISO/MIMO-Funkverbindungen untersucht. Bei nicht-kausaler Kenntnis über die primären Nachrichten kann der sekundäre Sender beispielsweise das Verfahren der Dirty-Paper-Codierung (DPC) verwenden, welches es ermöglicht, die Interferenz durch die primären Nachrichten bei der Decodierung der sekundären Nachrichten am sekundären Empfänger aufzuheben. Da die Implementierung der DPC mit einer hohen Komplexität verbunden ist, kommt als Alternative auch eine lineare Vorcodierung zum Einsatz. In beiden Fällen verwendet der primäre Transmitter MRT und der primäre Empfänger Einzelnutzerdecodierung. Besitzt der sekundäre Nutzer keine nicht-kausale Kenntnis über die primären Nachrichten, so kann er als Gegenleistung für die Mitbenutzung des Spektrums dennoch die Übertragung der primären Nachrichten unterstützen. Hierfür leitet er die primären Nachrichten mit Hilfe der Amplify-And-Forward-Methode oder der Decode-And-Forward-Methode in einer zweitstufigen Übertragung weiter, währenddessen er seine eigenen Nachrichten sendet. Der primäre Nutzer passt seine Sendestrategie entsprechend an und kooperiert mit dem sekundären Nutzer, um die Anforderungen an die Datenrate zu erfüllen. Nicht nur das Spektrum sondern auch die Sendeleistung ist eine wichtige Ressource. Daher wird zusätzlich zur Effizienz bei der Verwendung des Spektrums auch die Energieeffizienz (EE) einer sekundären MIMO-Funkverbindung für das Underlay-Spektrum-Sharing-Verfahren analysiert. Wie zuvor wird für den sekundären Nutzer am Sender eine Datenratenaufteilung (rate splitting) und am Empfänger entweder eine sukzessive Decodierung oder eine Einzelnutzerdecodierung betrachtet. Weiterhin wird die EE einer sekundären MIMO-Funkverbindung für das Overlay-Spektrum-Sharing-Verfahren untersucht. Dabei nutzt der sekundäre Nutzer die nicht-kausale Kenntnis über die primären Nachrichten aus, um mittels DPC eine interferenzfreie sekundäre Funkverbindung zu erhalten.

Bei Erdschlüssen in Mittelspannungsnetzen mit Resonanz-Sternpunkterdung wird der einpolige Fehlerstrom, genannt Erdschluss-Reststrom, oft von den Oberschwingungsanteilen dominiert. Dadurch wird in manchen Netzen die betrieblich festgelegte Obergrenze für den Erdschluss-Reststrom, auf deren Grundlage die Erdungsanlagen ausgelegt wurden, überschritten. Für eine Bewertung hinsichtlich des Personenschutz muss geprüft werden, ob dies eine Überschreitung der zulässigen Berührungsspannung nach DIN EN 50522 zur Folge hat. Dazu wird die erdpotenzialanhebende Wirkung der Harmonischen im Erdschluss-Reststrom für repräsentative Anordnungen untersucht. Dies wird mittels eines Modells realisiert und durch Messergebnisse verifiziert. Hierbei werden jeweils Aussagen zur charakteristischen Stromverteilung im Erdungssystem, den wirksamen Erdungsimpedanzen sowie zur resultierenden Erdungsspannung getroffen. Wesentliche Einflussfaktoren werden benannt und eine vom Fehlerort abhängige Risikobewertung durchgeführt. Im Ergebnis kann eine Vielzahl potenzieller Fehlerorte als grundsätzlich unkritisch eingestuft und somit umfangreiche Untersuchungen sowie Fehlinvestitionen vermieden werden.

Der Graben-Gate-MOSFET ist eine herausragende Bauelementarchitektur unter den vertikalen Bauelementen auf GaN-Basis, die derzeit für die nächste Generation der Leistungselektronik untersucht werden. Ein niedriges Reststromniveau im Aus-Zustand bei hoher Drain-Spannung ist für vertikale Transistoren von großer Bedeutung, da es ein entscheidendes Merkmal für eine hohe Durchbruchspannung und Zuverlässigkeit der Bauelemente ist. Die Drain-Restströme im Aus-Zustand haben ihren Ursprung in verschiedenen Quellen im vertikalen Trench-Gate-MOSFET. Neben dem Trench-Gate-Modul können auch die Reststrompfade an der trockengeätzten Seitenwand des lateralen Kantenabschlusses erheblich zum Drain-Reststrom im Aus-Zustand beitragen. In diesem Bericht wird der Einfluss jedes relevanten Prozessschritts auf den Drain-Reststrom im Aus-Zustand anhand spezifischer Teststrukturen auf hochwertigem epitaktischem GaN-Material, welche den lateralen Kantenabschluss des MOSFETs nachbilden, untersucht. Die elektrische Charakterisierung zeigt die Empfindlichkeit des Reststroms gegenüber plasmabezogenen Prozessen. Es wird eine Technologie der Randterminierung vorgestellt, die zu einem niedrigen Reststrom führt und gleichzeitig dicke dielektrische Schichten aus plasma-unterstützter Abscheidung enthält, die für die Herstellung einer Feldplattenstruktur über dem Kantenabschluss vorgesehen sind. / The trench gate MOSFET represents a prominent device architecture among the GaN based vertical devices currently investigated for the next generation of power electronics. A low leakage current level in off-state under high drain bias is of great importance for vertical transistors since it is a crucial feature for high breakdown voltage and device reliability. The off-state drain leakage originates from different sources in the vertical trench gate MOSFET. Besides the trench gate module, the leakage paths at the dry-etched sidewall of the lateral edge termination can also significantly contribute to the off-state drain-current. In this report, the influence of each relevant process step on the drain leakage current in off-state is investigated utilizing specific test structures on high-quality GaN epitaxial material which mimic the lateral edge termination of the MOSFET. Electrical characterization reveals the sensitivity of the leakage current to plasma-related processes. A termination technology is presented that results in low leakage current while including thick dielectric layers from plasma-assisted deposition as intended for fabrication of a field plate structure over the edge termination.

Die Zunahme unsymmetrisch betriebener Kundenanlagen mit hoher Betriebsdauer und -strömen in Niederspannungsnetzen führt neben der stärkeren Belastung der Betriebsmittel und des Spannungsbandes zu einer Erhöhung der Spannungsunsymmetrie. Diese Arbeit untersucht diese Beeinflussungen anhand von Wiederspannungsnetzsimulationen bei verschiedener Durchdringung von Elektrofahrzeugen und Photovoltaikanalgen. Dazu werden anhand von Labor- und Netzmessungen probabilistische Lastmodelle für Haushalte, Photovoltaikanalgen und Elektrofahrzeuge entwickelt, welche die unsymmetrische Betriebsweise über einen Tag berücksichtigen. Die Auswirkungen auf die Spannungsunsymmetrie werden anhand des Verhältnisses zwischen Gegen- zu Mitsystemspannung und die Stromunsymmetrie anhand von unsymmetrischen Leistungsanteilen beschrieben. Neben der Analyse der Auswirkungen der unsymmetrisch betriebenen Kundenanlagen auf die erwähnten Kenngrößen werden mögliche Maßnahmen zur Reduzierung des Einflusses vorgestellt und durch Simulationen geprüft. Anhand der durchgeführten Betrachtungen und Simulationen wird ein Niederspannungsäquivalent abgeleitet. Mit diesem können Profile für die unsymmetrischen Leistungsanteile bestimmt werden, mit denen die Sternpunktbelastung und der Einfluss auf die Unsymmetrie im übergeordneten Netz abgeschätzt werden kann.:1 Einführung 1 1.1 Stand der Technik 1 1.2 Ziel der Arbeit 2 1.3 Struktur der Arbeit 3 2 Grundlagen 4 2.1 Elektroenergiequalität und EMV Koordinierung 4 2.2 Allgemeine Bewertungsgrößen 8 2.2.1 Gleichphasigkeitsindizes 8 2.2.2 Qualitätsreserve 9 2.2.3 Quantil 9 2.3 Betriebsmittelbelastung 10 2.4 Verlustleistung und -energie 10 2.5 Langsame Spannungsänderung 10 2.6 Unsymmetrie-Kenngrößen 13 2.6.1 Spannungsunsymmetrie 16 2.6.2 Stromunsymmetrie 18 2.6.3 Unsymmetrische Leistung 20 3 Einflussfaktoren auf die Unsymmetrie 24 3.1 Übergeordnetes Netz 24 3.2 Transformator 25 3.3 Leitung 27 3.4 Erdung 28 3.5 Kundenanlagen 33 3.5.1 Anschluss der Kundenanlagen 33 3.5.2 Statisches Verhalten hinsichtlich Spannungs- und Frequenzabhängigkeit 34 3.5.3 Analytisches Modell zur vereinfachten Abschätzung der Spannungsunsymmetrie 35 3.6 Zusammenfassende Bewertung der Einflussfaktoren 40 3.7 Maßnahmen zur Reduzierung der Unsymmetrie 41 3.7.1 Verringerung der Gegensystemspannung des übergeordneten Netzes 43 3.7.2 Verringerung der wirksamen Gegen- bzw. Nullsystemimpedanz am Verknüpfungspunkt 43 3.7.3 Verringerung des Gegen- bzw. Nullsystemstroms der anzuschließenden Kundenanlage 43 3.7.4 Erhöhung der unsymmetrischen Lastimpedanz parallel betriebener Anlagen 44 3.7.5 Beeinflussung des Phasenwinkels des Gegen- bzw. Nullsystemstroms 44 3.8 Auswahl des Messorts zur Bestimmung der höchsten Spannungsunsymmetrie 47 4 Simulationskonzept und -modelle 49 4.1 Auswahl an Kundenanlagen 49 4.1.1 Erzeugungsanlagen im Niederspannungsnetz 49 4.1.2 Elektrofahrzeuge 51 4.2 Simulationsablauf 52 4.2.1 Wahl eines Simulationsszenarios und eines Simulationsnetzes 53 4.2.2 Installation von Photovoltaikanlagen und Ladepunkten für Elektrofahrzeuge 54 4.2.3 Festlegung von zu simulierender Zeitdauer und Mittelungsintervall 54 4.2.4 Lastflussberechnung je Zeitschritt 55 4.3 Stochastische Beschreibung der gleichzeitig ladenden Elektrofahrzeuge je Außenleiter – zentrales Laden 55 4.4 Simulationsmodelle - dezentrales Laden 57 4.4.1 Übergeordnetes Netz 57 4.4.2 Betriebsmittel des Niederspannungsnetzes 60 4.4.3 Kundenanlagen 62 5 Simulationsergebnisse 72 5.1 Zentrales Laden 72 5.1.1 Methodik 72 5.1.2 Auslastung der Betriebsmittel 73 5.1.3 Leitungsverluste 73 5.1.4 Unsymmetrischer Leistungsanteil 74 5.1.5 Spannungsunsymmetrie und Spannungsdifferenz 75 5.2 Dezentrales Laden 77 5.2.1 Methodik 77 5.2.2 Auslastung der Betriebsmittel 78 5.2.3 Leitungsverluste 79 5.2.4 Spannungsdifferenz 80 5.2.5 Unsymmetrischer Leistungsanteil 82 5.2.6 Spannungsunsymmetrie 83 5.2.7 Bewertung möglicher Maßnahmen zur Reduzierung der Spannungsunsymmetrie 89 5.2.8 Einfluss unsymmetrischer Koppelimpedanzen auf die Spannungsunsymmetrie 92 5.3 Resümee und Handlungsempfehlungen 94 6 Niederspannungsäquivalent für unsymmetrische Leistungsanteile 97 6.1 Lastgang der unsymmetrischen Leistungsanteile 97 6.2 Geräteklassenabhängiger unsymmetrischer Leistungsanteil 99 6.2.1 Unsymmetrischer Leistungsanteil Haushaltslasten 99 6.2.2 Unsymmetrischer Leistungsanteil Elektrofahrzeuge 99 6.2.3 Unsymmetrische Leistungsanteile PV-Anlagen 103 6.3 Überlagerung der Zeitverläufe 104 6.4 Beispiel 105 7 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 107 Literaturverzeichnis 110 Anhang 118