Nachrichtentechnische Systeme werden stets durch unvermeidbare zufällige Störungen beeinflußt. Neben anderen Komponenten sind davon besonders Oszillatoren betroffen. Die durch die Störungen verursachten zufälligen Schwankungen in der Oszillatorausgabe können als Amplituden- und Phasenabweichungen modelliert werden. Dabei zeigt sich, daß vor allem zufällige Phasenfluktuationen von Bedeutung sind. Zufällige Phasenfluktuationen können unter Verwendung stochastischer Prozesse zweiter Ordnung mit kurzem oder langem Gedächtnis modelliert werden. Inhalt der Dissertation ist die Herleitung eines Verfahrens zur Simulation zufälliger Phasenfluktuationen von Oszillatoren mit kurzem Gedächtnis unter Berücksichtigung von Datenblattangaben.

Die kontinuierliche Skalierung der planaren MOSFETs war in den vergangenen 40 Jahren der Schlüssel, um die Bauelemente immer kleiner und leistungsfähiger zu gestalten. Hinzu kamen Techniken zur mechanischen Verspannung, Verfahren zur Kurzzeitausheilung, die in-situ-dotierte Epitaxie und neue Materialien, wie das High-k-Gateoxid in Verbindung mit Titannitrid als Gatemetall. Jedoch erschwerten Kurzkanaleffekte und eine zunehmende Streuung der elektrischen Eigenschaften die Verkleinerung der planaren Transistoren erheblich. Somit gelangten die planaren MOSFETs mit der aktuellen 28 nm-Technologie teilweise an die Grenzen ihrer Funktionalität. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Integration von Multi-Gate-Transistoren auf Basis einer 22 nm-Technologie, welche eine bessere Steuerfähigkeit des Gatekontaktes aufweisen und somit die Fortführung der Skalierung ermöglichen. Zudem standen die Anforderungen eines stabilen und kostengünstigen Herstellungsprozesses als Grundvoraussetzung zur Übernahme in die Volumenproduktion stets mit im Vordergrund. Die Simulationen der Tri-Gate-Transistoren stellten dabei den ersten Schritt hin zu einer Multi-Gate-Technologie dar. Ihre Prozessabfolge unterscheidet sich von den planaren Transistoren nur durch die Formierung der Finnen und bietet damit die Möglichkeit eines hybriden 22 nm-Prozesses. Am Beispiel der Tri-Gate-Transistoren wurden zudem die Auswirkungen der Kristallorientierung, der mechanischen Verspannung und der Überlagerungseffekte es elektrischen Feldes auf die Leistungsfähigkeit von Multi-Gate-Strukturen analysiert. Im nächsten Schritt wurden Transistoren mit vollständig verarmten Kanalgebieten untersucht. Sie weisen aufgrund einer niedrigen Kanaldotierung eine Volumeninversion, eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit und eine geringere Anfälligkeit gegenüber der zufälligen Dotierungsfluktuation auf, welche für leistungsfähige Multi-Gate-Transistoren entscheidende Kriterien sind. Zu den betrachteten Varianten zählen die planaren ultradünnen SOI-MOSFETs, die klassischen FinFETs mit schmalen hohen Finnen und die vertikalen Nanowire-Transistoren. Anschließend wurden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Transistorstrukturen für eine mittel- bis langfristige industrielle Nutzung betrachtet. Dazu erfolgte eine Analyse der statistischen Schwankungen und eine Skalierung hin zur 14 nm-Technologie. Eine Zusammenfassung aller Ergebnisse und ein Ausblick auf die mögliche Übernahme der Konzepte in die Volumenproduktion schließen die Arbeit ab. / Within the past 40 years the continuous scaling of planar MOSFETs was key to shrink the devices and to improve their performance. Techniques like mechanical stressing, rapid thermal annealing and in-situ doped epitaxial growing as well as novel materials, such as high-k-gate-oxide in combination with titanium nitride as metal-gate, has been introduced. However, short-channel-effects and increased scattering of electrical proper-ties significantly complicate the scaling of planar transistors. Thus, the planar MOSFETs gradually reached their limits of functionality with the current 28 nm technology node. For that reason, this work focuses on integration of multi-gate transistors based on a 22 nm technology, which show an improved gate control and allow a continuous scaling. Furthermore, the requirements of a stable and cost-efficient process as decisive condition for mass fabrication were always taken into account. The simulations of the tri-gate transistors present the first step toward a multi-gate technology. The process sequence differs from the planar one solely by a fin formation and offers the possibility of a hybrid 22 nm process. Also, the impact of crystal orientation, mechanical stress and superposition of electrical fields on the efficiency of multi-gate structures were analyzed for the tri-gate transistors. In a second step transistors with fully depleted channel regions were studied. Due to low channel doping they are showing a volume inversion, a higher carrier mobility and a lower sensitivity to random doping fluctuations, which are essential criteria for powerful multi-gate transistors. Reviewed structure variants include planar ultra-thin-body-SOI-MOSFETs, classic FinFETs with a tall, narrow fins and vertical nanowire transistors. Then advantages and disadvantages of the considered transistor structures have been observed for a medium to long term industrial use. For this purpose, an analysis of statistical fluctuations and the scaling-down to 14 nm technology was carried out. A summary of all results and an outlook to the transfer of concepts into mass fabrication complete this work.

The still increasing demand of electrical energy and the rising popularity of renewable energy sources in today's world are two important developments that necessitate the need for innovative solutions in the field of power electronics. Parallel operation of converters is one possible method in trying to bridge an increased current demand. The classical two-level converters, which are the standard in low voltage applications, are rarely adopted in medium and high voltage applications due to the voltage limits on power semiconductor devices. That is one reason for the growing popularity of multilevel converter topologies in medium and high-voltage applications. Although an increase in the number of voltage levels of a multilevel converter has its advantages, there are also challenges posed due to the increased number of switching devices. This has resulted in three-level converters being the most popular compared to converters of higher voltage levels. In this dissertation, the unified operation of parallel connected three-level converter units as a multilevel converter of higher voltage levels is proposed. The mathematical basis for operating parallel connected converter units as a single multilevel converter and the governing equations for such systems are derived. The analysis and the understanding of these equations are important for assessing practicality of the system and devising appropriate control structures. Parallel operation of converter units operating as multilevel converter have their own set of challenges, the two foremost being that of load-sharing and the possibility of circulating and cross currents. Developing solutions to address these challenges require a thorough understanding of how these manifest in the proposed system. Algorithms are then developed for tackling these issues. The control structures are designed and the developed algorithms are implemented. The operation of the system is verified experimentally. / Die weiterhin steigende Nachfrage nach elektrischer Energie und die zunehmende Verwendung erneuerbarer Energiequellen in der heutigen Welt sind zwei wichtige Entwicklungen, die die Notwendigkeit innovativer Lösungen im Bereich der Leistungselektronik erfordern. Der Parallelbetrieb von Stromrichtern ist eine mögliche Methode, um einen erhöhten Strombedarf zu decken. Der klassische Zweipunkt-Spanungszwischenkreisstromrichter, der bei Niederspannungsanwendungen weit verbreitet ist, wird aufgrund der Spannungsgrenzen für Leistungshalbleiterbauelemente zunehmend weniger in Mittel- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Die begrenzte Spannungsbelastbarkeit der Leistungshalbleiterbauelemente ist ein Grund für die wachsende Beliebtheit von Mehrpunkt-Stromrichtertopologien in Mittelund Hochspannungsanwendungen. Obwohl eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsstufen eines Mehrpunkt-Stromrichters Vorteile hat, gibt es auch Herausforderungen und Nachteile aufgrund der erhöhten Anzahl von Leistungshalbleitern. Dies hat dazu geführt, dass der Dreipunkt-Stromrichter die verbreiteste Topologie im Vergleich zu anderen Stromrichtern mit einer höheren Anzahl von Spannungsstufen ist. In dieser Dissertation wird der Betrieb von parallel geschalteten Dreipunkt-Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter mit erhöhter Anzahl an Spannungsstufen vorgeschlagen. Die mathematische Basis für den Betrieb von parallel geschalteten Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter und die beschreibenden Gleichungen eines solchen Systems werden abgeleitet. Die Analyse und das Verständnis dieser Gleichungen sind wichtig für die Beurteilung der Praktikabilität des Systems und die Erarbeitung geeigneter Regelstrukturen. Der parallele Betrieb von Stromrichtereinheiten hat seine eigenen Herausforderungen, wobei die beiden wichtigsten die Lastverteilung und die Möglichkeit von Kreis- und Querströmen sind. Die Entwicklung von Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie sich diese Phänomene in dem vorgeschlagenen System manifestieren. Algorithmen zur Lösung dieser Probleme werden anschlieend entwickelt. Die Regelstrukturen werden entworfen und die entworfenen Algorithmen implementiert. Die Funktionsweise des Systems wird experimentell überprüft.

Stationary electrical connections and contacts, such as power connections, are commonly applied in electric power systems used for generation, transmission and distribution of electric energy. Several different degradation mechanisms can increase the contact resistance and might therefore reduce the power connection’s lifetime. The degradation by film development as a result of chemical reactions is often considered as a reason for contact failure. In this research work, the impact of film development produced by chemical reactions, such as oxidation, on the long-term behavior of stationary electrical connections and contacts was studied with crossed rods. Analytical, numerical and experimental methods were applied. Typical material systems for electric power systems were considered in this study: Cu-ETP (CW004A) bare, silver-, nickel- or tin-coated, Al99.5 (EN AW-1050A) and AlMgSi0.5 (EN AW-6060). By applying numerical methods, the mechanical stress distribution was determined within a circular contact point. The initial contact resistance and the plastic deformed area of the considered material systems was measured in experimental tests. The film’s impact was further determined through comparative experimental studies in air (standard atmosphere) and N2 (inert gas). During the experimental tests on perpendicularly crossed rods, other degradation mechanisms such as force reduction were suppressed. The film’s impact within the formation phase was studied on copper rods in an oven at 200 °C for 1000 h. Moreover, the dependency on different environments at 90 °C (laboratory, botanical garden and outdoor) was tested for 12000 h. Additional long-term tests over 12000 h were conducted at 200 °C. The contact resistance was determined dependent on time. Furthermore, the plastic deformed area was ascertained by microscopy. It was found that the time dependent film development caused by chemical reactions such as oxidation might possibly not result in a significant degradation of stationary electrical contacts with circular contact points and a constant force. Supplementary studies were performed at 200 °C for 1000 h with perpendicularly crossed rods at low forces (3.5 N) as well as analytical assessment of radial and axial film growth on circular contact points. The measured long-term behavior of perpendicularly crossed rods was similar for low and high forces. In order to study the long-term behavior of power connections operated in areas with harsh environmental conditions, experimental field tests on bolted busbar joints were conducted in desert and tropical rainforest environments. For over two and a half years, long-term field tests investigating bolted busbar joints made of Cu-ETP, Al99.5 (EN-AW-1350A) or AlMgSi0.5 (EN AW-6060) either with or without coating (silver, tin or nickel) were conducted in Belém (Brazil), Ismailia (Egypt) and Dresden (Germany).

Aus der Einführung: "Betrachtet man die Jahre von ca. 1880 bis ca. 1970 unter technikhistorischen Aspekten, kann man sie – abweichend von gängigen Periodisierungen – als Einheit auffassen und als technokratische Hochmoderne bezeichnen. Zentrales und durchgehendes Kennzeichen dieser Zeitspanne war der fast uneingeschränkte Glauben an eine bessere Zukunft, die auf technischem Fortschritt basierte. Zwischen dem Beginn der Hochindustrialisierung und dem Ende der Atomeuphorie wurden technischer und sozialer Fortschritt vielfach gleichgesetzt. Das lag zum Einen am Eindringen technischer Artefakte und Lösungen in die Lebenswelt breiter Massen, die unbestreitbar das Leben erleichterten, zum Anderen an einem sich immer weiter ausbreitenden Glauben an die prinzipiell unbegrenzte Weiterentwicklung technischer Systeme und der damit verbundenen Lösung komplexer gesellschaftlicher Probleme. Dieser Glaube wurde nicht einmal durch die verheerenden Auswirkungen von zwei technisierten Weltkriegen gebrochen. Zentrale Signatur der technokratischen Hochmoderne blieb ein auf Technikoptimismus beruhendes Fortschrittsversprechen."

Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

Seit 2008 wurden im Freistaat Sachsen ca. 40 Millionen Euro nach der Richtlinie Integrierte Ländliche Entwicklung (ILE) für Breitbandinfrastrukturmaßnahmen im ländlichen Raum bewilligt. Im Rahmen einer Evaluierung wurde geprüft, welchen Einfluss die Förderung auf die Verbesserung der Grundversorgung (2 Mbit/s) mit Breitbandinternet hatte. Weiterhin wurde die Fördermaßnahme auf Kosten und Wirtschaftlichkeit sowie zeitliche Abläufe und technische Parameter hin untersucht. Die Studie weist nach, dass sich das Förderverfahren in Sachsen bewährt hat. Im Ergebnis liegen nun Kenntnisse zur aktuellen Versorgung mit Breitbandinternet für einen großen Teil des ländlichen Raumes Sachsens vor.

The contents of this work investigate the capability of integrating the PT in applications by invoking the ratio of the throughput power to volume represented by the term: power density. The fundamentals of the PT are introduced in chapter two. In chapter three, the fundamental limitations of the PT's capability of transferring power to the load are studied. There are three major limitations: temperature rise due to losses during operation, electromechanical limits of material, and interactions with output rectifier. The analysis and estimation are then verified by experiments and calculations implemented on three different PT samples fabricated from three different manufacturers. The subject of chapter four is the behavior of the PT's power amplifier. This chapter concentrates on two main amplifier topologies, optimized based on the simplicity of structure and minimization of components (passive and active): class D and class E amplifiers. The operational characteristics of these amplifiers with the PT are then comparison. Methods to track the optimum frequency and discontinuous working mode of the PT are proposed as the approaches to improve the energy transfer of the PT. In chapter five, prototypes of four devices using a PT are developed and introduced as illustrations of the integration of PTs into practical applications: an igniter for high intensity discharge (HID) lamps, high DC voltage power supplies, and electronic ballasts for LEDs, and stand-alone ionizers for food sterilizers. Some concluding statements and ideas for future works are located in the last chapter - chapter six.

Die vorliegende Arbeit untersucht Struktur und Mn-Wertigkeit von La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO)/SrTiO3 (STO)-Dünnschichten, die mit außeraxialer gepulster Laserdeposition auf STO(0 0 1)-Substrat abgeschieden wurden. Aufgrund der hohen Spinpolarisation der Ladungsträger und der hohen Curie-Temperatur von LSMO sowie der geringen Gitterfehlpassung zwischen LSMO und STO erscheinen solche Dünnschichtsysteme interessant für magnetoresistive elektronische Bauelemente wie LSMO/STO/LSMO-Tunnelkontakte. Da das mit steigender Temperatur rasch abnehmende Magnetwiderstandsverhältnis derartiger Tunnelkontakte vor allem auf die atomistische Struktur der LSMO/STO-Grenz?fläche und den damit gekoppelten Ladungszustand der Mn-Ionen zurückgeht, stellt diese Arbeit eine hoch ortsaufgelöste Charakterisierung von Kristallstruktur und Mn-Wertigkeit mit im TEM aufgezeichneten Abbildungen und Elektronen-Energieverlust-Ionisationskanten vor. Der hinsichtlich des Einfl?usses auf die Qualität der Messdaten durchgeführte Vergleich verschiedener TEM-Präparationsverfahren zeigt, dass die konventionell ionengedünnten Querschnitte geringere Verbiegungen aufweisen als die mit fokussiertem Ionenstrahl präparierten und daher besser für die hochau?flösende TEM geeignet sind. Zur Quantifizierung der Mn-Wertigkeit werden die O-K- und Mn-L2,3-Nahkantenfeinstrukturen herangezogen, die sich in charakteristischer Weise mit dem Sr-Gehalt x und damit der Mn-Valenz in La1-xSrxMnO3 ändern. Hierbei reagieren die Kantenenergieabstandsmaße am empfindlichsten auf die Mn-Wertigkeit und ermöglichen eine Valenzbestimmung mit einer Genauigkeit von bis zu ?0,08. Die für das Innere der untersuchten LSMO-Schichten ermittelte Mn-Wertigkeit stimmt mit dem nominalen Wert von 3,3 überein, wohingegen an manchen LSMO/STO-Grenz?flächen zwischen Substrat und Schicht sowie zwischen den Schichten von Multilagen eine Reduktion um 0,1...0,2 zu beobachten ist. Dies kann auf eine La0,7Sr0,3O/TiO2-terminierte Grenz?fläche zurückgeführt werden und deutet darauf hin, dass sich die abschließenden Atomlagen messbar auf die grenzfl?ächennahe Mn-Wertigkeit auswirken. Weiterhin äußert sich der Ein?fluss der Grenz?fläche in dem Auftreten einer Schulter an der Flanke geringeren Energieverlusts der Mn-L3-Kante. Hierfür werden mögliche Ursachen wie Gitterdeformationen und Sauerstoffleerstellen diskutiert. Die geometrische Phasenanalyse von HRTEM-Aufnahmen und TEM-Hellfeldaufnahmen belegen eine tetragonale Verzerrung des LSMO-Schichtkristalls, der aus nadelförmigen Zwillingsdomänen besteht. Aus hochaufgelösten Raster-TEM-Abbildungen mit den unter großem Winkel gestreuten Elektronen geht hervor, dass die LSMO/STO-Grenz?flächen eine kohärente, gelegentlich mit Elementarzellenstufen versehene Gitterstruktur aufweisen. Insbesondere vermitteln die Stufen (Einfach- und Mehrfachstufen) die wellige Struktur der LSMO/STO-Multilagen. Schließlich wird gezeigt, dass die mit konvergenter Beugung bestimmte Fehlorientierung zwischen LSMO-Schicht und STO-Substrat bei geringer durchstrahlter Dicke der TEM-Lamelle die erwartete Netzebenenneigung der Zwillinge übersteigt. Dafür wird eine nachträgliche Relaxation der LSMO-Schicht während der Ionendünnung verantwortlich gemacht.

Der Kontakt Fahrdraht - Schleifleiste hat die Aufgabe, elektrischen Strom zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer des Triebfahrzeuges mittels eines Gleitkontaktes zu übertragen. Das Kontaktverhalten und der dabei entstehende Verschleiß sind von einer Vielzahl von Parametern und Einflussfaktoren sowie deren Verknüpfungen abhängig. Der Verschleiß lässt sich in elektrischen und mechanischen Verschleiß unterteilen. Die vorliegende Arbeit beschreibt erstmals zusammenhängend und umfassend das Kontakt- und Verschleißverhalten von Fahrdraht und Schleifleiste. Daraus geht hervor, dass der Kontaktwiderstand eine herausragende Bedeutung für den elektrischen Verschleiß besitzt. Zur Berechnung des Kontaktwiderstandes existieren für einen stationären Kontakt mehrere Modelle, die jedoch auf einer Vielzahl von Annahmen und Vereinfachungen beruhen. Die Messung des Kontaktwiderstandes zwischen dem Fahrdraht und der Schleifleiste ist somit zwingend erforderlich. Dafür wurde an der TU Dresden ein Versuchsstand errichtet, mit dem der Kontaktwiderstand unter möglichst realen Bedingungen gemessen werden kann. Untersucht wurde die Kontaktpaarung Kupferfahrdraht und Kohlenstoffschleifleiste. Die durchgeführten Messungen des Kontaktwiderstandes und der Temperaturen von Fahrdraht und Schleifleiste im Stillstand und bei Fahrt werden beschrieben und ausgewertet. Dabei zeigt sich, dass die Kontaktkraft und der Kontaktstrom den größten Einfluss auf den Kontaktwiderstand besitzen. Der Kontaktwiderstand bzw. die Kontaktspannung bilden die Grundlage zur Berechnung der Erwärmung des Kontaktbereiches. Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit welchem die maximalen Temperaturen in Fahrdraht und Schleifleiste ermittelt werden können. Die auf diese Weise ermittelten Temperaturen erlauben tendenzielle Aussagen zum elektrischen Verschleiß.