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Mit akustischen Oberflächenwellen können bei tiefen Temperaturen einzelne Elektronen nacheinander und mit genau bekannter, hoher Frequenz durch einen eindimensionalen Halbleiterkanal geführt werden. Der Effekt erlaubt es, die Stromstärke-Einheit Ampere mit einer Naturkonstanten, der Elementarladung, zu verknüpfen. Gelingt es, die Fehlerquote beim “Abzählen” der Elektronen so gering zu halten, dass eine insgesamt kleinere Unsicherheit als bei der "klassischen" Darstellung des Ampere resultiert, wäre die SI-Basis-Einheit Ampere auf ein Quantennormal zurückgeführt.

Das frühere Ergebnis, dass dieser Effekt bei einer geringeren akustischen Leistung auftritt, wenn der Kanal nicht perfekt sondern durch Störstellen unterbrochen ist, konnten wir nun in einem gemeinsam mit dem NPL, Grossbritannien, durchgeführten Projekt dadurch eindrucksvoll bestätigen, dass ein solcher gestörter Kanal mit lithographischen Methoden hergestellt und in seinen...

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Zur Detektion ultraschneller elektrischer Signale bieten sich optische Messverfahren an, da sie größere Bandbreiten erzielen als elektronische Verfahren. Die PTB hat daher eine neue optische Methode entwickelt, um ultraschnelle elektrische Felder in Halbleitern zu messen. Sie basiert auf dem sogenannten Franz-Keldysh-Effekt, beim dem ausgenutzt wird, dass ein elektrisches Feld Oszillationen im Absorptionsspektrum eines Halbleiters verursacht. Ein optischer Puls mit einem genügend breiten Spektrum erfährt dadurch eine Absorptionsänderung, während er durch den Halbleiter propagiert. Diese Absorptionsänderung wird detektiert und ist ein Maß für das elektrische Feld. Das Feld kann in SI-Einheiten angegeben werden. Der entwickelte Messaufbau der PTB ist insbesondere für eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung konzipiert worden. Momentan wird eine zeitliche Auflösung von 150 fs und eine räumliche Auflösung von 1,5 μm erreicht.

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Eine der bestehenden wesentlichen Schwierigkeiten bei der Herstellung komplexerer Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen ergibt sich aus der zeitlich korrekten Bereitstellung der Taktimpulse an den einzelnen Gattern. Josephsonkontakte mit externen Shunts in SIS-Technologie (Supraleiter/Isolator/Supraleiter) bieten die Möglichkeit, durch Einstellung verschiedener Werte der Shuntwiderstände flexible Gate-Delays asynchroner Logikgatter zu erreichen. Asynchrone RSFQ-Schaltungen, die auf der Basis von Dual-Rail Information Coding in lokal-definierter Taktgebung arbeiten, umgehen die durch globale Taktgebung bedingten Beschränkungen der konventionellen RSFQ-Logik. Für die Konzipierung komplexerer RSFQ-Schaltungen in SIS-Technologie ist zu berücksichtigen, dass einerseits den Josephsonkontakten durch die Leitungsführung der externen Shunts relativ große effektive Flächen zur Verfügung gestellt werden müssen, dass andererseits aber gerade...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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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...

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