Wissenschaft

Die sehr schnelle Datenübertragung von Flussquantenimpulsen der Supraleiter­elektronik zur Halbleiterelektronik im GHz-Frequenzbereich ist in komplexeren Schaltungen mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. An der Schnittstelle zur Halbleiterelektronik werden auf Seiten der Supraleiterelektronik üblicherweise SFQ/DC-Konverter eingesetzt, deren Funktion es ist, die den SFQ-Pulsen (SFQ: Single Flux Quantum) inhärente digitale Information in analoge Spannungspulse zu konvertieren. Bei den in der PTB hergestellten SFQ-Schaltungen fallen am Ausgang dieser Konverter Spannungspulse mit Amplituden von ca. 100 μV an, die für die weitere Signalverarbeitung genutzt werden müssen. Konventionelle Halbleiter­elektronik ist jedoch zur Weiterverarbeitung dieser kleinen Signale mit Bandbreiten im GHz-Bereich in der Praxis nicht einsetzbar. Um den Datentransfer zwischen beiden Elektronikgattungen zu erleichtern, wurde ein Spannungstreiber in Rapid...

Kleine supraleitende Tunnelkontakte ermöglichen die Manipulation von einzelnen Cooper-Paaren und können beispielsweise bei der Entwicklung von Quantennormalen für die elektrische Stromstärke und für die Konstruktion von Quantenbits eingesetzt werden. Üblicherweise werden solche Bauelemente in Schrägbedampfungstechnik aus Aluminium hergestellt. Die Verwendung von Niob (Nb) anstelle von Aluminium (Al) ist aufgrund der höheren Energielücke Δ und der damit verbundenen größeren Josephson-Kopplungsenergie für viele Anwendungen von Vorteil, da die gewünschte Beziehung zwischen der Josephson-Kopplungsenergie EJ, der Ladungsenergie EC, und der thermischen Energie kBT leicht realisiert werden kann: EJ ≈ EC >> kBT. Auf der Basis der in der PTB vorhandenen langjährigen Erfahrung mit der Nb/AlOx/Nb-Technologie für Spannungsnormal- und RSFQ-Logikschaltungen wurde die Herstellungstechnologie weiterentwickelt mit dem Ziel, Tunnelkontakte geringer...

Überdämpfte Josephsonkontakte sind die Schlüsselelemente in Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen. Durch extern geführte normalleitende Widerstandsshunts lassen sich in Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Josephsonelementen (SIS) hysteresefreie Strom-Spannungs-Charakteristiken einstellen, was die korrekte Funktion von RSFQ-Schaltungen gewährleistet. Heutzutage wird die RSFQ-Elektronik als vielversprechende komplementäre Elektronik zu Netzwerken mit Josephson Quantum Computing Strukturen angesehen. Insbesondere wird in der Klasse der auf Josephsonelementen aufgebauten RSFQ-Schaltungen ein hohes Potential gesehen, um Kontrolle, Auslesen und Verarbeitung von Information in Josephson-Qubit-Systemen zu ermöglichen. Unter den hohen technologischen Herausforderungen zur Kopplung von RSFQ- und Qubit-Schaltungen werden als größtes Problem die von einer RSFQ-Schaltung rückwirkenden Rauscheinflüsse gesehen, was ernsthafte Auswirkungen auf die...

Vielfach-Thermokonverter (Multijunction Thermal Converter, MJTC) in dreidimensionaler Bauart bilden in der PTB seit 20 Jahren die Grundlage für den Transfer von Wechsel- zu Gleichstromstärke. Die Transferdifferenz eines solchen MJTC (Heizerwiderstand 27 Ω) ist für Stromstärken von 20 bis 50 mA im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz kleiner als 1 μA/A mit einer berechenbaren Unsicherheit von 1 bis 3 μA/A im Bereich 1 bis 100 kHz. Die Herstellung dieser MJTC ist allerdings sehr aufwändig. Sie wurde schon Ende der 80er Jahre eingestellt, nachdem ein planarer Vielfach-Thermokonverter auf einem Silizium-Chip (PMJTC) entworfen und zusammen mit dem Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. (IPHT) bis zur Serienreife entwickelt worden war. Dieser wird vom IPHT seit einigen Jahren hergestellt und weltweit vertrieben. Als Primärnormal wurde aber weiterhin der dreidimensionale MJTC verwendet, da die Transferdifferenzen des PMJTC nicht mit...

Zur Ermittlung der Fehlerterme vektorieller HF-Netzwerkanalysatoren (VNA) wird häufig das LRL- oder TRL-Kalibrierverfahren (Line-Reflect-Line  bzw. Through-Reflect-Line) angewandt. Als Kalibrierelemente werden für das LRL-Verfahren zwei im Idealfall reflexionsfreie Präzisions-Luftleitungs-Impedanznormale (Lines) unterschiedlicher Länge und zwei Kurzschlüsse (Reflects) mit im Idealfall gleichen komplexen Reflexionsfaktoren benutzt. Beim TRL-Verfahren wird neben den reflects nur eine der Luftleitungen als lineund eine im Idealfall reflexionsfreie Durchverbindung (through) der Messtore benötigt. Die in den kommerziellen LRL-bzw. TRL-Kalibriersätzen vorhandenen Kalibrierelemente sind aber nicht ideal. Bei Durchverbindungen und Luftleitungen können Übergangswiderstände, HF-Verluste, Stufen in der Querschnittsgeometrie und Fremdkörper Änderungen der Reflexions- und Transmissionseigenschaften gegenüber dem Idealzustand hervorrufen. Ferner...

Zur Prüfung der elektrischen Eigenschaften ausgedehnter metallischer Flächen wurde eine Methode der Zeitbereichsspektroskopie entwickelt. Derartige Flächen treten z.B. als reflektierender Boden mit eingelassener Drehscheibe in Teilabsorberhallen auf, die für Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit elektronischer Geräte verwendet werden. Aber auch Freifeldmessplätze zur Kalibrierung von Antennen weisen einen entsprechenden Boden mit metallischer Fläche auf. Lokale Diskontinuitäten auf oder in diesen Flächen sind zu vermeiden, da sie die Messergebnisse beeinträchtigen, die in vielen Anwendungen mit theoretisch berechneten Werten zu vergleichen sind. Die metallischen Flächen mit Abmessungen im Bereich von mehreren 10 m werden z.T. aus einzelnen Platten zusammengeschraubt oder verschweißt. Dabei entstehen Schlitze, Nähte, Übergänge oder gar ein Ebenenversatz zwischen einzelnen Platten. Diese lokalen Diskontinuitäten können mit dem...

Der seit Jahren zu beobachtende Trend in Richtung größerer und komplexerer integrierter Schaltkreise führt zu neuen Herausforderungen im Chipdesign, wobei insbesondere der Einfluss der Verbindungsstrukturen nicht vernachlässigt werden darf. Obwohl bereits seit längerem bekannt ist, dass Substrateffekte in leitfähigem Silizium zu frequenzabhängigen Leitungseigenschaften führen, ist die Auswirkung verschiedener Masseleitungsanordnungen auf das Interconnect-Verhalten bisher nicht systematisch untersucht worden.

In einer Zusammenarbeit mit dem Laboratorium für Informationstechnologie (LfI) der Universität Hannover ist es nun gelungen, den Einfluss verschiedener Masseleitungsgeometrien auf die frequenzabhängigen Eigenschaften von Interconnects in einer für die Produktion von Speicherchips verwendeten 110 nm-CMOS-Technologie der Firma Infineon Technologies sowohl durch Simulationen am LfI als auch durch Messungen an der PTB im...

Der Test integrierter Mikrowellenschaltungen und schneller digitaler Schaltkreise erfordert neue Prüfkonzepte wie z.B. hochohmige Prüfspitzen, die sich durch Breitbandigkeit und eine möglichst geringe Rückwirkung auf den zu testenden Schaltkreis auszeichnen. Wie bereits in früheren Untersuchungen auf koplanaren Wellenleitern festgestellt, ist die Annahme eines frequenzunabhängigen, konstanten Wertes für die Lastimpedanz insbesondere bei sehr schnellen Signalen nicht mehr zulässig. In einer zusammen mit der High Speed Microelectronics Group am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder (USA) durchgeführten Untersuchung wurde der frequenzabhängige Störeinfluss hochohmiger Prüfspitzen in komplexen Schaltungsumgebungen mit Multiport-S-Parameter-Messungen ausgewertet.

Dabei wurden verschiedene Geometrieanordnungen der hochohmigen Prüfspitze bezüglich einer in Mikrostreifenleitungstechnik gefertigten Schaltung...

Für Messeinrichtungen zur Kalibrierung magnetischer Messinstrumente mit Vorgabefeldern, die in Spulen mittels Gleichströmen erregt werden, wurde eine Stromquelle mit auf Kernresonanz (NMR) basierender überlagerter Regelung entwickelt. Damit wird für Stromstärken im Bereich von 0,3 A bis 1 A eine nachweisbare Einstellungsauflösung von 0,3 μA und eine zeitliche Driftrate von etwa 0,3 μA/h erreicht.

Eine temperaturkompensierte Feldspule mit einem Durchmesser und einer Länge von jeweils etwa 100 mm zusammen mit einem Marginaloszillator für den Frequenzbereich von 250 bis 850 kHz als Detektor für Protonenresonanz bestimmen hauptsächlich die endgültig erzielten Spezifikationen der neuen Anlage. Die eingangs erwähnte Auflösung wird mit einer wässrigen Probe mit einer Absorptionslinienbreite von etwa 2 μT oder entsprechend 85 Hz erzielt, die ein Signal-Rausch-Verhältnis von mindestens 8:1 gewährleistet.

Aus dem im Bild dargestellten Diagramm...

Digitale Brücken ermitteln die Messabweichung und den Fehlwinkel von elektronischen Messwandlern mit Digitalausgang durch Vergleich mit Referenz- bzw. Normalwandlern mit Analogausgang. Zur Kalibrierung der Brücken werden die Ausgangsgrößen der digitalen und analogen Messwandler elektronisch generiert und an die Brücke angelegt. Durch Variation des analogen Signals bezüglich Amplitude und Phase wird die Brücke im gewünschten Arbeitsbereich kalibriert.

 Das Bild zeigt die in der PTB entwickelte und aufgebaute Messschaltung. Mittels einer digitalen Doppel-Wechselspannungsquelle DWQ werden aus einem gemeinsamen 10-MHz-Takt die Spannungen URef und UKal synthetisiert. URef wird bezüglich der Amplitude symmetrisch zum höchstwertigen Adressbit MSB des DA-Wandlers erzeugt, wodurch genau im Nulldurchgang der synthetisierten Spannung eine Spitze ("Marker", verursacht vom Einschalten des MSB) erscheint.