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Der Compact Linear Collider (CLIC) ist ein zukünftiger e+e- Beschleuniger mit einer Kollisionsenergie von bis zu 3 TeV und einer Kollisionsrate der Teilchenbündel von 2 GHz. Damit stellt CLIC besondere Anforderungen an ein Gesamtdetektorsystem. Die Akkumulation von Hintergrundereignissen - wie zum Beispiel aus Beamstrahlung resultierende gamma gamma -> Hadronen Interaktionen - soll durch eine zeitaufgelöste Teilchendetektion in allen Subdetektorsystemen minimiert werden. In der Ereignisrekonstruktion wird die präzise Zuordnung von Ereignissen zu einer kleinen Anzahl aufeinanderfolgender Teilchenbündelkollisionen insbesondere durch die Kalorimeter unterstützt indem man Energiedepositionen einen genauen Zeitstempel zuweist. Andererseits ist die Zeitentwicklung von hadronischen Schauern nicht instantan. Die Anforderungen an die Energieauflösung der Kalorimeter machen eine Integration über einen ausgedehnten Zeitraum unabdingbar. Wolfram ist eines der dichtesten Materialien und soll als Absorber verwendet werden um Teilchenschauer auf engstem Raum und innerhalb der Kalorimeter zu stoppen. Gegenwärtig ist die zeitaufgelöste Propagation hadronischer Schauer in Wolfram experimentell jedoch noch nicht hinreichend erforscht. Das T3B Experiment (Tungsten Timing Test Beam) wurde im Rahmen dieser Arbeit entworfen und konstruiert. Es besteht aus einer Kette von 15 Szintillatorkacheln, deren Lichtsignal durch Photosensoren (SiPMs) detektiert und durch Oszilloskope mit einer Abtastrate von 1.25 GHz digitalisiert wird. Das Experiment wurde dafür entwickelt die Zeitstruktur hadronischer Schauer zu vermessen und herauszufinden wie stark verspätete Energiedepositionen innerhalb eines Schauers beitragen. Der T3B Kachelstreifen wurde hinter zwei Prototypen für Hadronenkalorimeter der CALICE Kollaboration montiert, die mit einer Stahl- bzw. Wolframabsorberstruktur ausgestattet waren. Das T3B Experiment hat während der CALICE Teststrahlphase 2010/2011 am PS und SPS des CERN Hadronenschauer in einem Energiebereich von 2-300 GeV zeitlich vermessen. Eine für den Teststrahlbetrieb optimierte Software zur Datennahme wurde neu konzipiert. Die Entwicklung eines neuartigen Softwarealgorithmus zur zeitlichen Dekomposition von SiPM-Signalen erlaubte es, den Detektionszeitpunkt einzelner Photonen und somit Schauer mit einer zeitlichen Präzision von 1 ns zu studieren. Das T3B Experiment konnte eine erhöhte späte Schaueraktivität in Wolfram relativ zu Stahl nachweisen. Hierzu wurde eine detaillierte Untersuchung der Zeitverteilung der Energiedepositionen bemüht. Außerdem wurde beobachtet, dass der relative Einfluss von späten Energiedepositionen radial mit der Distanz zur Schauerachse zunimmt. Diese Zunahme ist in Wolfram wesentlich stärker ausgeprägt als in Stahl. Es konnte nachgewiesen werden, dass das für Simulationen am LHC und für den Großteil der Physikstudien für CLIC standardmäßig verwendete hadronische Schauermodell QGSP_BERT späte Energiedepositionen systematisch überschätzt. Neu entwickelte Modelle mit speziellem Augenmerk auf niederenergetischen Neutronen reproduzieren die Daten besser. Im Bezug auf die Energie einfallender Teilchen in einem Bereich von 60-180 GeV konnten keine signifikanten Unterschiede im Rahmen der Messunsicherheiten nachgewiesen werden.

Die Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY) betreibt die derzeit einzige deutsche Synchrotronstrahlungsquelle der dritten Generation. Der Speicherring BESSY II liefert extrem brillante Photonenpulse von der langwelligen Terahertz-Region bis hin zur harten Röntgenstrahlung mit Wahl des Energiebereichs und der Polarisation. Die 46 Strahlrohre an Undulator-, Wiggler- und Dipolquellen bieten dem Nutzer eine facettenreiche Mixtur von Strahlrohren und Messplätzen mit exzellenter Energieauflösung. Die Kombination von Brillanz und Photonenpulsen machen BESSY zu einem idealen Mikroskop für Raum und Zeit und ermöglichen Zeit- und Ortsauflösungen mit bis zu Femtosekunden auf Picometerskala.

Die Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY) betreibt die derzeit einzige deutsche Synchrotronstrahlungsquelle der dritten Generation. Der Speicherring BESSY II liefert extrem brillante Photonenpulse von der langwelligen Terahertz-Region bis hin zur harten Röntgenstrahlung mit Wahl des Energiebereichs und der Polarisation. Die 46 Strahlrohre an Undulator-, Wiggler- und Dipolquellen bieten dem Nutzer eine facettenreiche Mixtur von Strahlrohren und Messplätzen mit exzellenter Energieauflösung. Die Kombination von Brillanz und Photonenpulsen machen BESSY zu einem idealen Mikroskop für Raum und Zeit und ermöglichen Zeit- und Ortsauflösungen mit bis zu Femtosekunden auf Picometerskala.

In der vorliegenden Doktorarbeit wurden systematisch Methoden zur Manipulation der Dynamik von Exzitonen in Halbleiterstrukturen experimentell studiert. Als Substrat diente eine Al0,3Ga0,7As/GaAs-Heterostruktur mit zwei gekoppelten GaAs-Quantentöpfen. In diesen Systemen können mittels optischer Anregung räumlich indirekte Exzitonen erzeugt werden, die bei experimentell gut zugänglichen Temperaturen von 4 Kelvin lange Lebensdauern von über 10 Mikrosekunden aufweisen. Mittels geeigneter Gatterstrukturen auf den Probenoberflächen konnten maßgeschneiderte laterale Potentiallandschaften für Exzitonen in der Ebene der Quantentöpfe erzeugt und elektrisch abgestimmt werden. In zeitlich variierenden, wellblechförmigen Potentiallandschaften wurden oszillatorische Driftbewegungen über Entfernungen von 4 Mikrometern induziert. Statische Gradientenpotentiale für Exzitonen mit elektrisch manipulierbarer Steigung ermöglichten die Erzeugung und Beobachtung exzitonischer Driftbewegungen über makroskopische Entfernungen von über 100 Mikrometern. Flugzeitmessungen in derartigen Gradientenpotentialen ergaben bei einer Temperatur von 3,7 K exzitonische Driftgeschwindigkeiten von bis zu 2000 m/s. Die exzitonische Mobilität in den Proben wurde als Funktion der Temperatur experimentell bestimmt. Für Temperaturen T unter 10 K wurde eine außerordentlich hohe Mobilität von 10000 cm2/eVs bzw. eine Stoßzeit von 15 ps gemessen, die einer Diffusionskonstante von 30 cm2/s entspricht. Oberhalb einer Temperatur T von 10 K wurde eine zu T^(−6) proportionale Abnahme der Mobilität beobachtet. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Definition elektrostatischer Fallen für Exzitonen, die dazu genutzt werden können, Bose-Einstein-Kondensation von Exzitonen nachzuweisen. Es wurden linienförmige Fallen realisiert, die im Randbereich lateral mikrostrukturierter SiO2-Schichten auf Halbleiteroberflächen entstehen. Energieauflösende Photolumineszenz-Messungen haben ergeben, daß die Fallen in transversaler Richtung mittels harmonischer Einschlußpotentiale beschrieben werden können. Es wurden Federkonstanten von bis zu 11 keV/cm2, entsprechend einer Quantisierungsenergie von bis zu 5,5 μeV, experimentell beobachtet. Beide Werte übertreffen bisherige Resultate um einen Faktor von 200. Die transversale Ausdehnung und die energetische Tiefe der Fallen liegen im Bereich von etwa 10 Mikrometern bzw. 0,8 Mikroelektronenvolt. Innerhalb der Fallen findet longitudinaler exzitonischer Transport über makroskopische Entfernungen bis in den Millimeterbereich statt. Die Fallen, deren Potentialminima stets etwa 6 Mikrometer außerhalb der Begrenzung der SiO2-Bereiche verlaufen, können bezüglich ihrer exzitonischen Speicherwirkung elektrisch geschaltet werden. Die Ursache der Entstehung der Fallen sowie deren elektrisches Schaltverhalten wurden anhand eines elektrostatischen Modells erklärt.

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.