Physikalische Ursachen und Wirkung von Rauschquellen in Sperrschicht -Feldeffekttransistoren

In dieser Arbeit werden die Rauschquellen in
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs) eingehend auf ihre
Ursachen und Wirkungsweise untersucht. Das Rauschverhalten von
JFETs wirkt sich beispielsweise in
Halbleiter-Detektor-Verstärker-Systemen auf die Energieauflösung
solcher Systeme aus, in denen JFETs aufgrund ihres geringen
Rauschens oft als erste Verstärkungsstufe eingesetzt werden.
Diesbezüglich wird eine Methode entwickelt, mit Hilfe derer aus
Rauschmessungen an JFETs die Energieauflösung eines einfachen
spektroskopischen Systems berechnet werden kann, in das der
vermessene Transistor als erste Verstärkungsstufe eingebaut ist.
Außerdem wird gezeigt wie aus temperaturabhängigen Rauschmessungen
auf die Eigenschaften von Kristalldefekten in Halbleitern
geschlossen werden kann. Im theoretischen Teil der Arbeit werden
zuerst grundlegende Rauschmechanismen in Halbleitern beschrieben
wie sie auch in JFETs auftreten. Auf die Herleitungen der
Rauschspektren des thermischen Rauschens, des
Diffusionsstrom-Rauschens, des Generations-Rekombinations-Rauschens
und des „Random-Telegraph-Signal“-Rauschens (RTS-Rauschen) wird
ausführlich eingegangen. Das RTS-Rauschen kommt durch den Einfang
und die Emission von freien Ladungsträgern in/aus
Kristalldefekte(n) hinein/heraus. Die Abhängigkeiten des
RTS-Rauschens von der Lage des Kristalldefekts im Bauelement und
den Eigenschaften des Kristalldefekts selbst werden detailliert
analysiert. An den Beispielen eines Widerstandes und eines JFETs
wurden Simulationen durchgeführt, mit Hilfe derer der Einfluß
einzelner Kristalldefekte auf das Rauschverhalten des jeweils
betrachteten Bauelements bestimmt werden kann. Im experimentellen
Teil der Arbeit werden Messungen an verschiedenen JFETs
vorgestellt, in denen das Rauschen in Abhängigkeit von der Frequenz
und der Temperatur aufgenommen wurde. Auf die angeführten
Rauschmessungen wird die oben erwähnte Methode angewendet, mit
Hilfe derer man die Energieauflösung eines einfachen
spektroskopischen Systems berechnet werden kann, in das der
vermessene Transistor als erste Verstärkungsstufe eingebaut ist.
Dadurch gewinnt man ein Bild vom Verhalten des betrachteten
spektroskopischen Systems in Abhängigkeit von der Temperatur und
der Filterzeit eines in das System integrierten Filters, der zur
Optimierung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses dienen sollte.
Daraufhin wird exemplarisch am Beispiel eines rauscharmen JFETs
gezeigt, wie man anhand von Rauschmessungen die Eigenschaften und
die Lage von Kristalldefekten bestimmen kann. Zum Abschluß der
Arbeit werden noch Wiederholungsmessungen an einem Bauelement
widergegeben, bei denen sich das Rauschverhalten von sogenannten
multistabilen Kristalldefekten manifestierte. Multistabile Defekte
sind Kristalldefekte, die nicht nur eine stabile sondern mehrere
mögliche Konfigurationen im Kristallgitter besitzen. Übergänge
zwischen den verschiedenen Zuständen können durch verschiedene
Einflüsse wie z.B. durch die Temperaturbehandlung während einer
Rauschmessung zustande kommen.