Aufgrund eines Mangels an effizienten Quellen und Detektoren war das Terahertzband (0.1 - 10 THz) zwischen Hochfrequenzelektronik im Bereich von zehn Gigahertz (GHz) und Optik im Bereich von zehn Terahertz (THz) lange Zeit nur schwer zugänglich. In den letzten Jahren gab es rapide Fortschritte in der Technologie zur Erzeugung und Detektion von Terahertzwellen, wodurch die technische Nutzbarkeit dieses Frequenzbereichs verbessert wird und somit eine wachsende Zahl von Anwendungen ermöglicht wird. Dazu möchte auch diese Dissertation beitragen, deren Ziel es ist, durch Gleichrichtung mit kompakten Feldeffekttransistoren (FETs) die schnelle und direkte Detektion bei Raumtemperatur zu verbessern. Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von erfolgversprechenden Anwendungen für Echtzeitdetektion, wie zum Beispiel die Kommunikation, das Abstandsradar im Automobilbereich und die Spektroskopie. In einem viel höheren Leistungsbereich bewegt sich die Anwendung, auf der in dieser Forschungsarbeit ein Hauptaugenmerk liegt: Die Charakterisierung von Pulsformen in Beschleunigerexperimenten.

In einem vereinfachten Bild funktioniert die Gleichrichtung im FET durch die simultane Modulation der Ladungsträgerdichte und Ladungsträgergeschwindigkeit unterhalb des Gatekontakts. Der resultierende Gleichstrom ist proportional zur einfallenden THz-Leistung. M. Dyakonov und M. Shur modellierten das zweidimensionale Elektronengas (2DEG) mit hydrodynamischen Bewegungsgleichungen in den 1990er-Jahren und beschrieben die plasmonische Gleichrichtung unterhalb der Gateelektrode. Dieser Gleichrichtungsmechanismus ist im Terahertzband experimentell bestätigt, und funktioniert deutlich über der maximalen Oszillationsfrequenz fmax und Grenzfrequenz fT der verwendeten FETs.

Diese Dissertation befasst sich mit dem Detektionsmechanismus von Feldeffekttransistoren im Terahertzband und darüber hinaus im mittleren Infrarot (MIR) bis 30 THz auf der Zehn-Pikosekundenskala. Um diesen extremen Frequenzbereich zu adressieren, wurde das Konzept von antennenlosen FETs (LA-FETs) ausgewählt. Die schnelle Detektorantwort der FETs auf der Pikosekundenskala ist hinsichtlich der Verteilung der Responsivität auf der Detektorfläche und der Polarisationsabhängikeit vereinbar mit einer Dyakonov-Shur-Gleichrichtung bis einschließlich 30 THz. Weiter zeigt der Vergleich mit Referenzbauteilen ohne Gateelektrode eine Unterdrückung von Signalen aus Gleichrichtungsprozessen, die keine Gateelektrode benötigen, von mehr als zwei Größenordnungen bei 2.0 THz und einer Größenordnung bei 11.8 THz. Die Abhängigkeit von der Gatespannung wird hingegen schwächer hin zu höheren Frequenzen und deutet auf einen Beitrag von einem bisher nicht identifizierten Detektionsprozess hin. Mit Ausnahme des GaAs-Reststrahlenbandes besitzen die Detektoren eine Frequenzabdeckung im gesamten Terahertzband. Die Obergrenze für die intrinsische Detektionsgeschwindigkeit kann mit einer Gauß-Zeitkonstante von 7.1 ps angegeben werden. Die langsame Detektorantwort auf einer Millisekundenskala zeigt einen steigenden Anteil von anderen Gleichrichtungsmechanismen hin zu höheren Frequenzen. Ein möglicher Mechanismus ist eine bolometrische Detektion. Das gemessene f⁻¹·⁴ Frequenzverhalten ist schwächer als ein RC Abklingverhalten mit konstantem Widerstand und deutet daher auf einen steigenden Strahlungswiderstand des LA-FETs für höhere Frequenzen hin, der die Einkopplung von THz-Leistung zu dem FET verbessert. Die großflächigen Detektoren zeigen einen Linearitätsbereich von 69 dB/√Hz. Im Vergleich zu Detektoren, welche zu Anfang dieser Forschungsarbeit zur Verfügung standen, konnte die Responsivität um zwei Größenordnungen verbessert werden und ermöglicht jetzt eine Detektion von Pulsen im Pikosekundenbereich an Beschleunigereinrichtungen ohne Vorverstärker, und zusätzlich auch eine Detektion in den meisten kompakteren Aufbauten im Labormaßstab.

Antennengekoppelte FETs (A-FETs) werden in einem Frequenzbereich von 0.1 bis 11.8 THz untersucht. Die gemessene Responsivität zeigt eine exzellente Übereinstimmung mit theoretischen Erwartungen aus einem einfachem Ersatzschaltbild und dem simulierten Strahlungswiderstand. Mit einfacher UV-Kontaktlithographie wird zudem eine äquivalente Rauschleistung (engl. Abk. NEP) von 250 pW/√Hz bei 0.6 THz erreicht, die nur eine Größenordnung über der NEP von FETs liegt, welche mit 65 nm Technologie in Halbleiterwerken gefertigt wurden.

Sowohl mit einem LA-FET, als auch mit einem A-FET Detektor wird die Charakterisierung der Pulsform von Terahertzpulsen eines freien Elektronenlasers (FEL) im Pikosekundenbereich demonstriert. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein neuer Faltungsansatz für die Beschreibung von asymmetrischen Pulsen in Abhängigkeit der FEL-Kavitätsverstimmung präsentiert und experimentell mit Zeitbereichsmessungen der FETs und Frequenzbereichsmessungen mit einem Gitterspektrometer verifiziert. Dieser Ansatz umgeht die Schwachpunkte der unstetigen Differenzierbarkeit der bisher in der Literatur vorherrschenden abschnittsweisen Modellierung und erlaubt einen kontinuierlichen Übergang zu einem symmetrischen Gaußpuls. Weiter erlaubt das neue Modell, die gaußförmige Limitierung in der Zwischenfrequenz (engl. Abk. IF) mit einzubeziehen. Mit dem Faltungsansatz kann die Heisenberg-Gabor-Beschränkung umgangen werden, da exponentielle Anstiegszeiten deutlich unterhalb der gaußförmigen IF-Limitierung gemessen werden können.