For ultra-high speed communication systems at high center frequencies above 100 GHz, we propose a disruptive change in system architecture to address major issues regarding amplifier chains with a large number of amplifier stages. They cause a high noise figure and high power consumption when operating close to the frequency limits of the underlying semiconductor technologies. Instead of scaling a classic homodyne transceiver system, we employ repeated amplification in single-stage amplifiers through positive feedback as well as synthesizer-free self-mixing demodulation at the receiver to simplify the system architecture notably. Since the amplitude and phase information for the emerging oscillation is defined by the input signal and the oscillator is only turned on for a very short time, it can be left unstabilized and thus come without a PLL. As soon as gain is no longer the most prominent issue, relaxed requirements for all the other major components allow reconsidering their implementation concepts to achieve further improvements compared to classic systems. This paper provides the first comprehensive overview of all major design aspects that need to be addressed upon realizing a SPARS-based transceiver. At system level, we show how to achieve high data rates and a noise performance comparable to classic systems, backed by scaled demonstrator experiments. Regarding the transmitter, design considerations for efficient quadrature modulation are discussed. For the frontend components that replace PA and LNA amplifier chains, implementation techniques for regenerative sampling circuits based on super-regenerative oscillators are presented. Finally, an analog-to-digital converter with outstanding performance and complete interfaces both to the analog baseband as well as to the digital side completes the set of building blocks for efficient ultra-high speed communication.

Topic of the thesis is the production of unipolar digital circuits by means of mass-printing technologies. For this purpose accumulation-mode and depletion-mode field-effect transistors have been used. To realize depletion-mode field-effect transistors charges are injected and stored in the gate-dielectric. Consequently, the charge transport on the semiconductor-dielectric interface is influenced and the threshold voltage can be controlled. To inject charges into the dielectric different technologies have been used and will be discussed in terms of their process parameters. Finally, fully-printed digital circuits with enhanced performance are introduced. / Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die drucktechnische Herstellung von unipolaren digitalen Schaltungen durch eine Kombination von organischen Feldeekttransistoren vom Anreicherungs- und Verarmungstyp. Zur Realisierung von Transistoren vom Verarmungstyp werden Überschussladung in den Gate- Isolator eingebracht und gespeichert, wodurch der Ladungstransport im Transistorkanal insbesondere die Schwellspannung beeinflusst wird. Es werden verschiedene Aufladungstechnologien und deren Prozessparameter diskutiert. Abschließend werden vollständig mit Massendruckverfahren prozessierte, digitale Schaltungen mit verbesserter Signalübertragungscharakteristik vorgestellt.

This thesis investigates the fabrication and integration of nanoscale field-effect transistors based on individual semiconducting carbon nanotubes. Such devices hold great potential for integrated circuits with large integration densities that can be manufactured on glass or flexible plastic substrates. A process to fabricate arrays of individually addressable carbon-nanotube transistors has been developed, and the electrical characteristics of a large number of transistors has been measured and analyzed. A low-temperature-processed gate dielectric with a thickness of about 6 nm has been developed that allows the transistors and circuits to operate with voltages of about 1.5 V. The transistors show excellent electrical properties, including a large transconductance (up to 10 µS), a large On/Off ratio (>10^4), a steep subthreshold swing (65 mV/decade), and negligible leakage currents (~10^-13 A). For the realization of unipolar logic circuits, monolithically integrated load resistors based on high-resistance metallic carbon nanotubes or vacuum-evaporated carbon films have been developed and analyzed by four-probe and transmission line measurements. A variety of combinational logic circuits, such as inverters, NAND gates and NOR gates, as well as a sequential logic circuit based on carbon-nanotube transistors and monolithically integrated resistors have been fabricated on glass substrates and their static and dynamic characteristics have been measured. Optimized inverters operate with frequencies as high as 2 MHz and switching delay time constants as short as 12 ns. / Thema dieser Arbeit ist die Herstellung und Integration von Feldeffekt-Transistoren auf der Grundlage einzelner halbleitender Kohlenstoffnanoröhren. Solche Bauelemente sind zum Beispiel für die Realisierung integrierter Schaltungen mit hoher Integrationsdichte auf Glassubstraten oder auf flexiblen Kunststofffolien von Interesse. Zunächst wurde ein Herstellungsverfahren für die Anfertigung einer großen Anzahl solcher Transistoren auf Glas- oder Kunststoffsubstraten entwickelt, und deren elektrische Eigenschaften wurden gemessen und ausgewertet. Das Gate-Dielektrikum dieser Transistoren hat eine Schichtdicke von etwa 6 nm, so das die Versorgungsspannungen bei etwa 1.5 V liegen. Die Transistoren haben sehr gute elektrische Parameter, z.B. einen großen Durchgangsleitwert (bis zu 10 µS), ein großes Modulationsverhältnis (>10^4), einen steilen Unterschwellanstieg (65 mV/Dekade) und vernachlässigbar kleine Leckströme (~10^-13 A). Für die Realisierung unipolarer Logikschaltungen wurden monolithisch integrierte Lastwiderstände auf der Grundlage metallischer Kohlenstoffnanoröhren mit großem Widerstand oder mittels Vakuumabscheidung erzeugter Kohlenstoffschichten entwickelt und u. a. mittels Vierpunkt- und Transferlängen-Messungen analysiert. Eine Reihe kombinatorischer Schaltungen, z.B. Inverter, NAND-Gatter und NOR-Gatter, sowie eine sequentielle Logikschaltung wurden auf Glassubstraten hergestellt, und deren statische und dynamische Parameter wurden gemessen. Optimierte Inverter arbeiten bei Frequenzen von bis zu 2 MHz und haben Signalverzögerungen von lediglich 12 ns.

To accommodate the growing demand on higher speeds, low latencies and low energy consumption, the interconnections within and between data centers are supposed to be implemented as optical fiber and waveguide interconnects in future. Optical fiber interconnects provide several advantages over their electrical counterparts as they enable higher bandwidth densities and lower losses at high frequencies over distances longer than few centimeters. However, nowadays optical fiber interconnects are usually not very energy-efficient. The systems in optical networks are mostly optimized for running at their peak performance to transmit the information with the highest available error-free data rate. But the work load of a processor system and hence of an optical link is not constant and varies over time due to the demand of the running applications and users. Therefore, optical interconnects consume the same high power at all times even if lower performance is required. In this paper a new method for the tuning of optical interconnects for on-board and board-to-board optical communication is described. In this way the performance of the transceiver systems of the link is adapted to the present transmission workload and link requirements. If for example lower data rates are required, the bandwidth and therefore the power consumption of the systems can be reduced. This tuning is enabled by the integrated circuitry of the optical link. Different methods for such an adaptive tuning are described and several practical examples are reviewed. By using adaptive bandwidth reduction in the circuits, more than 50 % of the consumed power can be saved. These savings can result in tremendous reductions of the carbon footprint and of the operating costs produced by data centers.

Inspired by neurobiological systems, Spiking Neural Networks (SNNs) are gaining an increasing interest in the field of bio-inspired machine learning. Neurons, as central processing and short-term memory units of biological neural systems, are thus at the forefront of cutting-edge research approaches. The realization of CMOS circuits replicating neuronal features, namely the integration of action potentials and firing according to the all-or-nothing law, imposes various challenges like large area and power consumption. The non-volatile storage of polarization states and accumulative switching behavior of nanoscale HfO₂ - based Ferroelectric Field-Effect Transistors (FeFETs), promise to circumvent these issues. In this paper, we propose two FeFET-based neuronal circuits emulating the Integrate-and-Fire (I&F) behavior of biological neurons on the basis of SPICE simulations. Additionally, modulating the depolarization of the FeFETs enables the replication of a biology-based concept known as membrane leakage. The presented capacitor-free implementation is crucial for the development of neuromorphic systems that allow more complex features at a given area and power constraint.

Die Einführung des millimeter-Wellen-Bandes eröffnet neue Perspektiven für die Radio Frequency Identification (RFID) Kommunikationssysteme. Der Enwurf des Systems im 60-GHz-Band ermöglicht die Implementierung der On-Chip Antenne und darüber hinaus die Implementierung eines RFID-Tags auf einem einzigen Chip. Dennoch ist es aufgrund der gesetzlichen Beschränkung der effektiven isotropen Strahlungsleistung (EIRP) des Lesegeräts und der erhöhten Freiraum-Dielektrikumsverluste eine Herausforderung, eine zuverlässige Kommunikationsreichweite von mehreren Millimetern zu erreichen. Neue Lösungen sind für jeden Block sowohl im Lesegerät als auch im Single-Chip-Tag erforderlich. Obwohl das Lesegerät batteriebetrieben ist, ist es immer noch eine Herausforderung, die maximal zulässigen 20 dBm IERP des Lesersenders energieeffizient zu erzeugen. Darüber hinaus sollte der Empfänger einen ausreichenden Dynamikbereich haben, um das vom Tag kommende Signal zu erkennen. Auf der Tag-Seite sind die Hauptherausforderungen das Co-Design der effizienten On-Chip-Antennen-Implementierung, die hochempfindliche Gleichrichter-Implementierung und das Rückkommunikationskonzept. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Machbarkeitsstudie des Single-Chip-RFID-Tags und die Implementierung im Millimeterwellenbereich. Es werden zwei Rückkommunikationskonzepte untersucht - Backscattering-Rückkommunikation und eine Kommunikation unter Verwendung von Ultra-Low-Power (ULP) Radios. Beide werden in einem 22 nm FDSOI Prozess auf einem Substrat mit geringem Widerstand implementiert. Beide Tags arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 0,4 V, um die Kommunikationsreichweite zu maximieren. Die Link-Budgets sind so ausgelegt, dass sie die regulatorischen Beschränkungen einhalten. Die Auswahl des Technologieknotens wird begründet. Verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit der Technologie werden diskutiert, wie z. B. Geräteleistung, passiver Qualitätsfaktor, Leistungsdichte der Kondensatoren. Der Backscattering RFID-Tag wird zuerst entworfen, da er eine relativ einfachere Topologie hat. Die Probleme der Gleichrichterempfindlichkeit im Rahmen des analogen Frontends, der On-Chip-Antenneneffizienz und der konjugierten Anpassung beider werden untersucht. Eine Kommunikationsreichweite von 5 mm wird angestrebt und realisiert. Um die Kommunikationsreichweite weiter zu erhöhen, wird in der zweiten Phase ein Tag mit einer aktiven Rückkommunikation implementiert. Hier wird die Gleichrichterempfindlichkeit weiter verbessert. Es wird ein 0,4V ULP Radio entworfen, das sich die Antenne mit dem Gleichrichter über einen Single-Pole- Double-Through (SPDT) Schalter teilt. Ein Abstand von 2 cm erwies sich als realisierbar, wobei die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten und der dynamische Bereich des Leseempfängers nicht überschritten wurde. Es wird die höchste normalisierte Kommunikationsreichweite pro Leser-EIRP erreicht. Weitere Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert.

Neuron is the basic computing unit in brain-inspired neural networks. Although a multitude of excellent artificial neurons realized with conventional transistors have been proposed, they might not be energy and area efficient in large-scale networks. The recent discovery of ferroelectricity in hafnium oxide (HfO₂) and the related switching phenomena at the nanoscale might provide a solution. This study employs the newly reported accumulative polarization reversal in nanoscale HfO₂-based ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) to implement two key neuronal dynamics: the integration of action potentials and the subsequent firing according to the biologically plausible all-or-nothing law. We show that by carefully shaping electrical excitations based on the particular nucleation-limited switching kinetics of the ferroelectric layer further neuronal behaviors can be emulated, such as firing activity tuning, arbitrary refractory period and the leaky effect. Finally, we discuss the advantages of an FeFET-based neuron, highlighting its transferability to advanced scaling technologies and the beneficial impact it may have in reducing the complexity of neuromorphic circuits.

A compact device model along with simulations and an experimental analysis of a forward-biasedPNjunction-based silicon Mach-Zehndermodulator (MZM) with a phase-shifter length of 0.5 mm is presented. By placing the PN junction to a certain off-center such that72%of thewaveguide is p-doped, the refractive index swing at a given drive voltage swing is increased by 2% compared to the symmetric layout. The effects of the phase shifters’ length mismatch and asymmetric splitting on the modulation efficiency and extinction ratio of the modulator are simulated and compared with experimental results.Without any pre-emphasis or post-processing, a high-speed operation up to 15 Gb/s using a nonreturn-to-zero modulation format is demonstrated. A modulation efficiency (V πL) as low as 0.07 V × cm is verified and power consumption of 0.88 mW/Gb/s is recorded while a high extinction ratio of 33 dB is experimentally demonstrated. Compared to previously reported forward-biased silicon integrated modulators, without active tuning of the power splitting ratio between the arms, the extinction ratio is 10 dB higher. This MZM along with its compact structure is also sufficiently energy-efficient due to its low power consumption. Thus, it can be suitable for applications like analog signal processing and high-order amplitude modulation transmissions.

Diese Arbeit widmet sich der Simulation von elektrischen/elektronischen Schaltungen welche um elektromagnetische Bauelemente erweitert werden. Im Fokus stehen unterschiedliche Kopplungen der Schaltungsgleichungen, modelliert mit der modifizierten Knotenanalyse, und den elektromagnetischen Bauelementen mit deren verfeinerten Modell basierend auf den vollen Maxwell-Gleichungen in der Lorenz-geeichten A-V Formulierung welche durch Finite-Integrations-Technik räumlich diskretisiert werden. Eine numerische Analyse erweitert die topologischen Kriterien für den Index der resultierenden differential-algebraischen Gleichungen, wie sie bereits in anderen Arbeiten mit ähnlichen Feld/Schaltkreis-Kopplungen hergeleitet wurden. Für die Simulation werden sowohl ein monolithischer Ansatz als auch Waveform-Relaxationsmethoden untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei Zeitintegration, Skalierungsmethoden, strukturelle Eigenschaften und ein hybride Ansatz zur Lösung der zugrundeliegenden linearen Gleichungssysteme welcher den Einsatz spezialisierter Löser für die jeweiligen Teilsysteme erlaubt. Da die vollen Maxwell-Gleichungen zusätzliche Ableitungen in der Kopplungsstruktur verursachen, sind bisher existierende Konvergenzaussagen für die Waveform-Relaxation von gekoppelten differential-algebraischen Gleichungen nicht anwendbar und motivieren eine neue Konvergenzanalyse. Auf dieser Analyse aufbauend werden hinreichende topologische Kriterien entwickelt, welche eine Konvergenz von Gauß-Seidel- und Jacobi-artigen Waveform-Relaxationen für die gekoppelten Systeme garantieren. Schließlich werden numerische Benchmarks zur Verfügung gestellt, um die eingeführten Methoden und Theoreme dieser Abhandlung zu unterstützen. / This work is devoted to the simulation of electrical/electronic circuits incorporating electromagnetic devices. The focus is on different couplings of the circuit equations, modeled with the modified nodal analysis, and the electromagnetic devices with their refined model based on full-wave Maxwell's equations in Lorenz gauged A-V formulation which are spatially discretized by the finite integration technique. A numerical analysis extends the topological criteria for the index of the resulting differential-algebraic equations, as already derived in other works with similar field/circuit couplings. For the simulation, both a monolithic approach and waveform relaxation methods are investigated. The focus is on time integration, scaling methods, structural properties and a hybrid approach to solve the underlying linear systems of equations with the use of specialized solvers for the respective subsystems. Since the full-Maxwell approach causes additional derivatives in the coupling structure, previously existing convergence statements for the waveform relaxation of coupled differential-algebraic equations are not applicable and motivate a new convergence analysis. Based on this analysis, sufficient topological criteria are developed which guarantee convergence of Gauss-Seidel and Jacobi type waveform relaxation schemes for introduced coupled systems. Finally, numerical benchmarks are provided to support the introduced methods and theorems of this treatise.