· · · Institutional Repository

Vanwege de hoge grondwaterstand in Nederland dienen voor het verlagen van de waterstand in bouwkuipen vaak speciale voorzieningen te worden getroffen. Indien een "open bronbemaling" niet is toegestaan en er onvoldoende verticaal evenwicht is voor een polderconstructie wordt een waterafsluitende laag gecreeerd met tijdelijke OWB-vloer. Na het fabriceren van de constructievloer wordt de OWB-vloer als verloren beschouwd. Hoewel er een aantal projecten is uitgevoerd waar de OWB-vloer tevens dienst doer als constructievloer wordt de kostenbesparing van circa 7,6 % bij ontgravingsdiepten van 10 meter te klein geacht om dergelijke projecten op grote schaal uit re voeren. In dit afstudeeronderzoek is onderzocht wat het rendementsverschil is tussen constructieve OWB-vloeren en tijdelijke OWB vloeren bij ontgravingsdiepten van 20 meter en meer. Dit is gedaan aan de hand van een casestudie waar de aanlegdiepte van de Tweede Spoortunnel Schiphol is vergroot van NAP -12,5 m tot NAP -25,5 m. In hoofdstuk 3 is eerst onderzocht wat de invloed van de verdubbeling van de aanlegdiepte is op de vormgeving van de tunnel. Er zijn twee concepten bekeken en geanalyseerd; namelijk concept 1 een treintunnel met een bovenliggende grondbelasting en concept 2 een treintunnel waar de bovenliggende ruimte is benut voor de aanleg van een vier verdiepingen tellende parkeergarage. Het voornaamste verschil in vormgeving met de Tweede Spoortunnel Schiphol is het plaatsen van een tussenwand. Hierdoor hoeven in beide concepten minder "dure" vluchtschachten gebouwd te worden en zal de zware grondbelasting in concept 1 beter kunnen worden afgedragen naar de ondergrond. Uit de bepaling van de optredende belastingen blijkt, dat de treintunnel van concept 1 door de grondbelasting 270 KN/m2 in de gebruiksfase op druk zal worden belast terwijl de OWB-vloer van concept 2 permanent op trek zal worden belast, Het gewicht van de parkeergarage in concept 2 wordt via de wanden afgedragen Vervolgens zijn in hoofdstuk 4 de gehanteerde berekeningsmethoden van de diverse instanties beschreven en geanalyseerd met behulp van doorbuigmetingen van OWB-vloeren. Gebleken is, dat het verend-ondersteund-ligger model het beste aansluit bij de gemeten doorbuigmetingen en dit model wordt dan ook gebruikt voor verder onderzoek. Uit in hoofdstuk 5 gedane parameterstudie blijkt, dat de optredende krachten als gevolg van de waterdrukken sterk afhankelijk zijn van de f3waarde, de verhouding tussen de verticale paalstijfheid en de buigstijfheid. Tevens is de verhouding tussen de paalstijfheid en de wandstijfheid van invloed op de optredende krachten in de OWB-vloer. Door scheurvorming in een gewapende OWB-vloer wordt buigstijfheid gereduceerd met als gevolg een significante beperking van de optredende krachten. Vanwege de harde en stijve zandlagen op de grote ontgravingsdiepten kunnen om uitvoeringsrechnische redenen niet de gebruikelijke prefab betonpalen worden gebruikt maar diverse andere paalsystemen te gebruiken. In hoofdstuk 6 "Engineering Data Base" zijn voor verschillende paal- en wandsystemen de verticale stijfheid en draagkracht berekend. Na bepaling van de stijfheden en de paalkosten is besloten verder te ontwerpen met: verticaal voorgespannen groutankers, relatief slappe Gewi-ankers en relatief stijve stalen palen. Tevens zijn de stort- en ontgravingstoleranties van de verschillende stortsystemen geanalyseerd en voor het verdere ontwerp worden hiervoor respectievelijk 150 en 75 mm aangehouden. Vanwege de geringe diameter van GEWI-ankers, 63,5 mm, zal het plaatsen van conventionele wapeningskorven geen grote problemen opleveren.

In deze studie naar bouwmethoden onder bestaande bebouwing is een aantal mogelijke alternatieven, voor de bouw van de passage van de Noord/Zuidlijn met het Centraal Station, naar voren gekomen. De behandelde alternatieve bouwmethoden voor de passage van de Noord/Zuidlijn met het Amsterdam Centraal Station zijn: De buizenmethode. Het persen van buizen, vanuit een bouwkuip, met een diameter van 1,0 m in horizontale richting die al dan niet met elkaar verbonden zijn. Deze buizen vormen een dakconstructie en soms ook de wanden van de toekomstige doorsnede. Na het persen van de buizen kan hieronder ontgraven worden en de constructie afgebouwd. Bevriezen van grond. Het bevriezen van het grondwater met pekelwater of stikstof om het grondmassief te verstijven zodat de stabiliteit en de waterdichtheid van het grondmassief verzekerd wordt. Het vrieslichaam kan de vorm hebben van de uiteindelijke constructie, maar ook het hele grondmassief kan bevroren worden. Na het ontgraven kan een prefab constructie worden doorgeperst of met spuitbeton de tunnelmantel worden gevormd. Doorpersen. Het doorpersen van prefab elementen onder een bestaande constructie door wordt al regelmatig toegepast. Vanuit een bouwkuip worden ringvormige of rechthoekige profielen doorgeperst. Dit kan met een boorkop met gesloten of open front. Bij een open front kan ook met de hand worden ontgraven. Dit is alleen mogelijk als het grondwaterniveau lager is dan de in te persen buis en de grond voldoende standtijd heeft. Caisson. De caisson methode komt erop neer dat een constructie geheel of gedeeltelijk op maaiveld of in een ondiepe bouwkuip wordt gebouwd. Door vanuit de werkkamer onder de constructie de grond te verwijderen onder luchtdruk zakt de constructie de grond in. Voordeel is dat de constructie wel diep komt, maar geen diepe bouwkuip vereist is. Grouten. Met grout injectietechnieken kunnen constructies of delen van constructies vanaf maaiveldniveau gebouwd worden. Zo kan in de bouwfase een stabiele, waterdichte constructie verkregen worden. Binnen de gevormde omhullende of onder de gevormde dakconstructie kan worden gerealiseerd.

De Boortunnel Groene Hart maakt deel uit van de Hogesnelheidslijn-Zuid (HSL-Zuid. De ruim zeven kilometer lange boortunnel wordt aangelegd door het Groene Hart, tussen de plaatsen Leiderdorp en Hazerswoude-Dorp. De tunnel wordt aangelegd als een zogenaamde monotube, dat wil zeggen een grote diameter (14,5 meter) tunnel met twee rijrichtingen Bij de bouw van de tunnel onderscheidt men de ruwbouw en de afbouw. De ruwbouw bestaat uit de bouw van de tunnel lining, de technische galerij en de zand/cement aanvulling. De afbouw houdt in het aanleggen van de betonnen vloer, de anti-ontsporingsranden en de scheidingswand. Tijdens de bouw worden de ruwbouw en de afbouw tegelijk op verschillende plaatsen in de tunnel uitgevoerd. De ruwbouw vindt plaats op, of vlak achter de tunnelboormachine (TBM) en de afbouw volgt op ongeveer zeshonderd meter achter de TBM. Het ontwerp wordt naast de geintegreerde ruwbouw en afbouw gekenmerkt door drie vluchtschachten, die tijdens het boorproces gekruist worden. Deze schachten dienen in de gebruiksfase als ontsnaproute bij een calamiteit. Tevens worden tijdens de booractiviteiten nog twee luchtschachten aangelegd, die de functie hebben de drukgolf, die ontstaat bij het passeren van een trein, af te voeren. Tijdens de bouw dient het logistieke systeem in de tunnel zo georganiseerd te zijn, dat de voortgang van de TBM niet beinvloed wordt door een interactie van de verschillende bouwprocessen in de tunnel met de aanvoer van materiaal, of het op andere wijze falen van de aanvoer van materiaal naar de boormachine. Het is onbekend in hoeverre dit het geval is. Daarnaast is het niet zeker, dat de uitvoeringsmethoden, die worden toegepast bij de uitvoering van de Boortunnel Groene Hart veilig zijn. In deze studie is onderzocht wat de invloed van de logistieke processen in de tunnel is op de voortgang van de TBM en de veiligheid tijdens de bouw. Om de invloed van de logistiek in de tunnel op de voortgang van de TBM vast te stellen is een risico analyse uitgevoerd. Zodoende kan bepaald worden welke logistieke problemen zich voor kunnen doen tijdens de bouw van de tunnel. De analyse heeft geresulteerd in een overzicht van storingen en bijzondere gebeurtenissen binnen het logistieke systeem. De storingen ontstaan door de interactie van verschillende werkzaamheden, of door het falen van componenten van het logistieke systeem. Alle storingen hebben de eigenschap dat ze tijdelijk zijn, of eenvoudig kunnen worden verholpen door vervanging of reparatie van het element dat de storing veroorzaakt. De gevolgen van een storing worden uitgedrukt in de mogelijke vertraging van de TBM die ontstaat door de storing. Na het kwantificeren van de storingen op basis van gegevens die bekend zijn over boortunnel projecten in Nederland is de grootte van de invloed van de storingen op het boorproces bepaald. Het blijkt dat de vertraging door logistieke storingen een significant deel van de bouwtijd uit kan maken (ongeveer 7%). Het is van belang om tijdens de uitvoering te voorkomen dat de invloed van (de logistieke) storingen zo groot wordt, dat het halen van de geplande opleverdatum in gevaar komt. Naast storingen zijn er zogenaamde bijzondere gebeurtenissen, met een kleine kans en grote gevolgen voor de voortgang van het project. Door deze bijzondere gebeurtenissen kunnen vertragingen optreden, die het halen van de geplande opleverdatum in gevaar brengen. Uit de risico analyse volgt dat het maatgevende risico voor langdurige stilstand of vertraging van het boorproces een explosie of brand is. De risico analyse geeft echter nog geen antwoord op alle vragen over de invloed van de logistieke processen op de voortgang van de tunnelboormachine. Om ook de overige vragen te beantwoorden zijn nog een aantal onderzoeken uitgevoerd. Zonder in te gaan op de toegepaste berekeningsmethoden, is de belangrijkste conclusie van deze onderzoeken dat de voortgang van het boorproces slechts significant beinvloed wordt door eerdergenoemde storingen van het logistieke systeem. De gevolgen van kleine afwijkingen van de geplande procestijden en de gevolgen van alternatieve signaleringssystemen voor de geleiding van verkeer in de tunnel zijn klein. Om de invloed van het logistieke systeem op de veiligheid in de tunnel te bepalen is een veiligheidsanalyse uitgevoerd. Daarin is gekeken naar veiligheids- en gezondheidsrisico's, die voortkomen uit het logistieke systeem. Het is moeilijk aan te geven hoe groot de veiligheidsrisico's zijn in getallen. Wel kan worden aangegeven wat de belangrijkste aandachtpunten zijn bij de beoordeling van een veiligheidsplan. Het grootste risico tijdens de uitvoering is brand in de tunnel. Naast brand zijn slechte klimaatomstandigheden en mechanische ongevallen de belangrijkste V & G risico-items. De ervaring leert dat mechanische ongevallen in de schacht het meest voorkomen bij een dergelijk project. De belangrijkste aanbeveling voor de voortgang van het boorproces is dat het rendabel is om een trailer stand-by te hebben op de bouwplaats. Zodoende kan bij het Een aanbeveling, die gedaan wordt om de veiligheidsrisico's te minimaliseren, is het werken aan de bewustwording van de V & G risico's tijdens de uitvoering. Dit kan concreet gedaan worden door het geven van instructies en het toezien op de naleving van de veiligheidsmaatregelen. Tenslotte wordt aanbevolen om in een vervolg onderzoek de systeemgrenzen van dit onderzoek te verleggen en ook de mogelijke storingen van bijvoorbeeld de TBM en de scheidingsinstallatie in kaart te brengen. Zodoende krijgt men een beter beeld van de totale vertraging van het bouwproces door storingen. Deze kan vervolgens gebruikt worden om een uitspraak te doen over de betrouwbaarheid van de planning.

In dit afstudeerverslag wordt verslag gedaan van de krachtswerking in een tunnelwand. Er zijn twee situaties vergeleken. Een tunnel die gesitueerd is in zandige grond en dezelfde doorsnede maar dan in klei. In beide situaties bevindt zich grondwater boven de tunnel. Doel was om te kijken naar verschillen en deze te kwantificeren. Daarnaast zijn voor een doorsnede van de Botlekspoortunnel berekeningen gemaakt. Er zijn verschillende modellen beschikbaar om snedekrachten en spanningen in de wand te berekenen. - Bouma-model: een klassiek model voor ringvormige constructies. Het model gaat uit dat de wand oneindig stijf is. Interactie tussen grond en wand wordt in dit model niet meegenomen. Bouma-model met correctiefactoren: Uitgangspunt is het vorige model echter middels correctiefactoren wordt het effect van interactie tussen grond en wand in rekening gebracht. Continu veren-model: Rondom de tunnelwand worden veren gemodelleerd die verbonden zijn met een fictief medium. Dit model neemt interactie mee. Eindige Elementen Model (PLAXIS): Rondom de tunnel zijn wederom veertjes verbonden die nu vast zitten aan de rondom de tunnel gegenereerde elementen die de grond representeren. Interactie wordt meegenomen daarnaast neemt dit model impliciet boogwerking boven de tunnel mee. Het eindige elementen model geeft voor alle berekende situaties de laagste momenten. Voor de normaalkracht kan dit niet gezegd worden. In vergelijking met 4 metingen in Duitsland van tunneldoorsneden gelegen in droge zandgrond, Iijkt het dat de waarden zoals berekend met PLAXIS voor het moment kleiner zijn dan de gemeten waarden. De verplaatsingen volgend uit het eindige elementen model zijn iets groter dan volgend uit het continu veren-model. Wat betreft verschiIlen tussen doorsneden die liggen in zand of klei kan het volgende worden gezegd. De relatieve verplaatsingen van de wand zijn in beide gevallen ca. 7 mm. De interactie die optreedt tussen grond en constructie resulteert in kleinere momenten in de tunnelwand. Voor het Bouma-model met correctiefactoren / Continu veren-model reduceert in zand het moment met een factor 2, in klei bedraagt die reductie maar 10% ten opzichte van het Bouma-model. De wijze waarop de tunnel deformeert is ook anders. Relatief willen ze allebei horizontaal ovaliseren. Wordt de deformatie inclusief opdrijven beschouwd dan blijkt dat de 'schouders' van de tunnelwand in zand een relatief grote horizontale verplaatsing ondergaan. Het blijkt indien voegen als scharnieren worden gemodelleerd dit in de segmenten zelf grotere momenten geeft dan als de tunnel wordt gemodelleerd als een homogene ring zonder voegen. Een lagere E-modulus van grond resulteert in grotere momenten in de wand. Een hogere KOwaarde geeft lagere momenten.

In this thesis, the implementations of Single Electron Tunneling (SET) circuits for Brownian Motion Based Logic and Arithmetic Computation were investigated. Random fluctuations and noise are major factors interfering with the operation of nanometer scale electronic devices and circuits, as the feature size decreases. In SET technology, one of these interfering effects, namely quantum tunneling, is actually utilized for computations by controlling the transport of individual electrons. However, at the single electron level, random fluctuations are largely unavoidable. In previous research, Brownian Motion based building blocks were proposed which take advantage of random fluctuations to function. i.e, Conservative Join (CJoin)and Hub. However, the SET design of the CJoin had two major limitations when taking industrial implementation into account. Firstly, it had long diagonal wires that appear on the design literally. Secondly, the circuit parameters of the tunnel junction capacitances fell short of the industrial standard. In this research we present a new design for the Cjoin, i.e, the Redesigned CJoin. In the Redesigned CJoin the long diagonal wires that cause routing problem are eliminated and additionally the circuit parameters are industrially realizable, while meeting the same functionality. Secondly, we construct networks of the Redesigned CJoin design and the Hub and show that the two blocks can be used to build computational units. We investigate networks of two Hubs and one redesign CJoin, three Hubs and two redesign CJoin and network of four Hubs and four redesign CJoin. Third, we propose logic and arithmetic computation with 2-by-2 CJoin Brownian circuit Network. We investigate the logic and arithmetic computation with 2-by-2 CJoin based NAND-gate, NOR-gate and Half-Adder. Finally, we utilized a buffering scheme from previous research to improve the functionality robustness of the Half-Adder. We also investigate static buffer with circuit parameters at 1K. We investigate a static Buffered 2-by-2 CJoin based Half-Adder. All designs in this thesis are verified through simulations. This thesis establishes a concrete design platform for complex Brownian motion Based logic and arithmetic computation.

Excavation works in urban areas require a preliminary risk damage assessment. In historical cities, the prediction of building response to settlements is necessary to reduce the risk of damage of the architectural heritage. The current method used to predict the building damage due to ground deformations is the Limiting Tensile Strain Method (LTSM) [3]. This method is based on an uncoupled soil-structure analysis, in which the building is modelled as an elastic beam subject to imposed greenfield settlements and the induced tensile strains are compared with a limit value for the material. This approach neglects many factors which play an important rule in the response of the structure to tunneling induced settlements. In this paper, the possibility to apply a settlement risk assessment derived from the seismic vulnerability approach [1] is considered. The parameters that influence the structural response to settlements can be defined through numerical coupled analyses which take into account the nonlinear behaviour of masonry and the soil-structure interaction.

In this dissertation we investigate the implementation of computer arithmetic operations with Single Electron Tunneling (SET) technology based circuits. In our research we focus on the effective utilization of the SET technologys specific characteristic, i.e., the ability to control the transport of individual electrons. We pursue two main research directions: Single Electron Encoded Logic (SEEL) and Electron Counting (EC) arithmetic. All the design we propose are verified by means of simulation and evaluated in terms of area, delay and energy consumption. The first line of research, i.e., the SEEL paradigm, is based on encoding Boolean variables as a net charge of zero or one electron thus charge transport in a SEEL gate due to switching activity is limited to one electron. Within the SEEL paradigm we first propose a generic Threshold Logic Gate (TLG) from which we derive a Boolean logic gate family. Subsequently, we investigate the behavior of the SEEL TLG as a network component, argue that buffering is a method to reduce crosstalk problems and propose four SEEL buffers. A buffer choice is argued, based on TLG buffering suitability, and subsequently utilized to implement buffered Boolean gates. We next explore SEEL implementations of memory elements and propose static latches, flip-flops and dynamic memory elements. Given the above components, i.e., SEEL Boolean gates, threshold gates and memory elements, we propose building blocks for serial adders, ripple carry adders, carry-lookahead adders and tree multipliers and evaluate the above adders and multipliers. The second line of research, i.e., the EC paradigm, is based on encoding integer values as charge and performing arithmetic operations on charge encoded operands. Within the EC paradigm we first suggest a set of EC building blocks and propose generic schemes for EC based addition and multiplication. We then assume that limited amounts of charge can be transported in an EC block and propose designs for high radix EC addition and multiplication that can manage such limitations.

Carbon nanotubes are small cylindrical molecules with a typical diameter of 1 nm and lengths of up to micrometers. These intriguing molecules exhibit, depending on the exact atomic structure, either semiconducting or metallic behavior. This makes them ideal candidates for possible future molecular electronics. In this thesis Janssen describes measurements on carbon nanotubes with a scanning tunnelling microscope. This instrument can measure both the atomic structure and electronic structure. The effect on the electronic structure of a kink in a nanotube, crossings of nanotubes, and the end of a nanotube is studied. Carbon nanotubes are also ideal systems to study quantization phenomena in one dimension. By cutting a nanotube to a short length the texbook particle-in-a-box model is experimentally realized. The wave functions of the electrons are made visible and the measured patterns correspond well to theoretical results. The spatial structure of the wave functions shows interference patterns which are exploited to obtain a value for an important electronic property, the Fermi velocity.

We experimentally investigate Quantum Dots, formed in Carbon Nanotubes. The first part of this thesis deals with charge sensing on such quantum dots. The charge sensor is a metallic Single-electron-transistor, sensitive to the charge of a single electron on the quantum dot. We use this technique for real-time charge readout and precise tuning of the tunnel barriers of the quantum dot. The second part of this thesis describes the realization of exceptionally clean Carbon Nanotube quantum dots. We create few-electon single, double and triple quantum dots. In a few electron double quantum dot, we observe an effect which is analogous to Klein tunneling in relativistic quantum mechanics.

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) is an astronomical observatory that is being built on a 5000 m altitude plateau in Chile to perform heterodyne measurements in the frequency range of 30 to 950 GHz. These measurements will reveal the presence of characteristic molecules that tell us more about the evolution of the early universe and the formation of stars and planetary systems. Because of the limited atmospherical transmission of radiation at these frequencies, ALMA is divided into 10 frequency bands with a sufficiently high transmission. This thesis describes the research that has been done to develop superconductor - insulator - superconductor (SIS) tunneljunctions as detectors for Band 9 of ALMA (602 - 720 GHz). To realize these devices, a tuning circuit has been developed that optimizes the coupling of electromagnetic radiation from the antenna to the SIS junction. Further, a new method has been developed to create SIS junctions with aluminum nitride (AlN) as the insulating material. This method uses a remote plasma from an inductively coupled plasma source. Junctions that have been grown with this new method show a much better uniformity in transmissivity of the tunneling barrier at high critical current densities. Using the new method, SIS devices with AlN tunnel barriers have been developed that have a record low noise temperature over the full bandwidth of Band 9.

One-dimensional (1D) solid state systems can behave drastically different from their higher dimensional counterparts. Increased interactions can produce electronic and/or structural instabilities. In this respect, the following fundamental questions are important for a proper understanding of the properties of the ultimate 1D systems consisting of atom wires: Are atom wires created by self-assembly on silicon (Si) surfaces actually stable? Do atom wires exist that are metallic (at low temperatures)? What role is played by defects in these atom wires? This Thesis attempts to find an answer to these questions. Atom wires were realized by self-assembly on vicinal Si surfaces. Using Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy combined with Density Functional Theory calculations, a full analysis of the (thermodynamic) stability of Gallium (Ga) atom wires on Si(112) has been made, including the energetics of fluctuating intrinsic structural defects. It is shown that the stable atom wires fully passivate the surface, and that the spacing between intrinsic quasi-1D meandering vacancy lines can be tuned continuously through experimental adjustment of the Ga chemical potential. Gold atom wires on the Si(553) surface show an incommensurate metallic state at room temperature. Decreasing the temperature, two competing charge density waves (CDW) within single atom wires are observed, accompanied by a third CDW coexisting in between those wires. Defects in the atom wires induce interband charge transfer, resulting in commensurate CDWs at low temperatures. Finally, manipulatable phase slips with fractional charge and spin are observed for the first time in a CDW in real space.

We present a three-dimensional model based on the finite-element method for solving the time harmonic Maxwell equation in optics. It applies to isotropic or anisotropic dielectrics and metals and to many configurations such as an isolated scatterer in a multilayer, bi-gratings, and crystals. We discuss the application of the model to near-field optical recording.

A carbon nanotube (CNT) is a remarkable material and can be thought of as a single-atom thick cylinder of carbon atoms capped of with a semisphere. This is called a single-walled CNT and, depending on how the cylinder is rolled up, CNTs are either semiconducting or metallic. A CNT is made into a mechanical resonator by suspending it between two electrodes. The CNT is driven into motion electrostatically, and the mechanical motion is detected using the current flowing through the CNT. We use the ultraclean fabrication method, which avoids processing on the CNT by first making the electrodes and the trench and only in the final step growing the CNTs. A suspended CNT resonator can be fabricated without defects, thus reducing mechanical damping. In this Thesis, CNTs are studied as electromechanical resonators. An overview is given of the various optical, microscopy, and electrical methods to detect the mechanical motion of CNT resonators, after which the electrical detection methods are compared in detail. Next, it is shown experimentally and theoretically that their mechanical motion couples strongly to single-electron tunneling, as CNTs become quantum dots at cryogenic temperatures. Mechanical modulation of the single-electron average charge leads to spring softening, damping, and a nonlinear restoring force. Because of their high aspect ratio, CNTs can easily be perturbed into the nonlinear regime. To read out their mechanical motion at high frequencies, a novel high-bandwidth readout scheme is developed and discussed.

This thesis is about random fluctuations over time (or noise) of electric currents and voltages occuring in small (mesoscopic) electronic devices with typical sizes of micro- to nanometre. Even though the theory presented is of a more general nature, research into such systems has been greatly pushed forward by the prospect of building a quantum computer. There are two important aspects to noise which are addressed in this work. The first can be summarised as detection and refers to the idea, that the fluctuations carry information about the microscopic details (geometric design, scattering, temperature) of transport which causes them. The theoretical problem we investigate is then to relate detector signals to fundamental properties of the sample. Secondly, fluctuations can trigger a variety of processes in the environment. Depending on the system one may wish to enhance or diminish such effects. To achieve this goal we study noise-induced effects and the coupling between noise sources and their environment. The precise way in which these fluctuations occur can be found from the theory of Full Counting Statistics (FCS) which provides a cornerstone for this thesis. In chapter 3 the effect of a weak electromagnetic environment on the Full Counting Statistics of a coherent conductor is investigated. We obtain explicit expressions for the correction to the FCS which are further studied by analytical and numerical means. We also present a reinterpretation of the correction in terms of elementary physical events. The major result in that chapter is a universal relation for Full Counting Statistics which holds at arbitrary voltage, temperature and with no regard to the concrete realization of the contact. For FCS this relation takes the form of detailed balance. In chapter 4 we investigate the detection of finite frequency noise using a quantum tunnelling detector. We focus on a concrete experimental setup consisting of a coherent conductor taking the role of the noise source and a tunnel junction (the detector) which is capacitively coupled to it. We show that the detector rate in a certain parameter range is dominated by a two-photon process and a process involving two interacting electrons in the coherent conductor. We find an explicit analytical expression for the detector signal in terms of system parameters: tunnel coupling, transmissions, environment, voltage over the conductor and coupling parameter. Our results facilitate the detection of many-particle events in the context of quantum transport, particularly electron-electron interactions. The non-Gaussian higher moments of the distribution of current fluctuations in a mesoscopic conductor contain more information than is present in average current and noise. However they are inherently difficult to measure. In order to facilitate such experiments, we propose a completely new way for measuring the Full Counting Statistics in chapter 5. We study threshold detection with a Josephson junction coupled to a mesoscopic conductor. We show that the detailed dependence of the junction's escape rate is sensitive to the distinct FCS of specific conductors (tunnel junction, diffusive, ballistic). We also address issues related to the measurement procedure notably feedback and dispersiveness of the detector. Our theoretical results facilitate a new type of electric noise measurement: direct measurement of the full distribution of transferred charge.

Modeling of the effects occurring outside the usual region of application of semiconductor devices is becoming more important with increasing demands set upon electronic systems for simultaneous speed and output power. Analog integrated circuit designers are forced to enter regimes of transistor operation that are close to or within the device breakdown. They use compact models that describe device behavior in an efficient way to predict a designed circuit performance. Using modern heterojunction bipolar transistors with superb maximum unity current gain and maximum unity power gain frequencies, necessarily brings with it ever lower breakdown voltages. Impact ionization that causes avalanche multiplication has a profound impact on power amplifiers and plays a dominant role in the region of high output voltages, necessary for driving antennas of modern (ultra)wideband wireless systems. On the other hand, digital circuit designs mostly suffer from high transistor leakage current that in the state of the art digital solutions takes up significant portion of the total power dissipation of a digital system. Therefore, it is of essence for digital integrated circuit designers to posses an accurate prediction of the leakages so that they may continue to grasp benefits of transistor downscaling. In this thesis, starting from impact ionization, firstly, physics behind this phenomenon is studied. Frequency limitations of avalanche models are analytically derived in Chapter 2. A derivation is followed by the description of usual approaches for addressing impact ionization effects in semiconductor devices. Emphasized is the most frequently used, impact ionization rates approximation. The last part of the chapter is reserved for compact modeling of avalanche multiplication in semiconductor devices. This chapter presents a foundation for the two chapters that follow. Chapter 3 focuses on quasidistributed bipolar transistor model reduction techniques. This model type is employed to describe complex multidimensional vertical current pinch-in effects that may occur in transistors biased within the avalanche region. A simplification method for the model is introduced, based on an implementation of bilinear approximation. Excellent matches between the original and reduced model are obtained. The model complexity is reduced from quadratic to linear dependency on size, nevertheless, the speed gain is not that dramatic. Implications of impact ionization on bipolar transistors in terms of working in the small alternating signal environment are explored next. Specifically, in such cases avalanche characterization is important in order to proceed with deeper analysis. Chapter 4 gives a derivation proof that avalanche in the small signal drive conditions may be studied by observing the real parts of admittance parameters when transistor is viewed through its two-port network representation. Addressed are the needs for an accurate modeling of such regimes. Repercussions of avalanche on some important intrinsic active device properties from circuit design prospective are discussed in general. Collapse of unilateral power gain and increase of transistor stability are demonstrated and physically explained through the concept of intrinsic avalanche-induced negative feedback. The frequency above which avalanche effects in small signal conditions can be neglected is identified. A description of a novel model for the band-to-band tunneling current in p-n junctions is shown in Chapter 5. The presented work consists of the model physical foundations, implementation and finally its verification against state of the art industrial and modern in-house device measurements. The developed tunneling breakdown model is fully physics-based and may be used both in bipolar as well as in field-effect compact transistor models. It is smooth in a mathematical sense on a whole real domain, thus escaping any potential solver convergence problems. The derived model features increased efficiency without compromising accuracy since it is not evaluated in the forward bias regime where the Zener tunneling current identically equals zero. Innovative parametrization of the model equation (in a statistical sense) drastically reduces the influence of randomness inevitably present in the measured data on which parameters are estimated, on dispersion of the extracted parameter values. As a consequence scaling over geometry and temperature is greatly improved. Parameter extraction techniques in compact modeling in general have a crucial role. However, if several extraction methodologies for estimation of certain model parameter(s) exist, it is not trivial to select the best, that is, the preferred one. It is even unclear how ``the best'' strategy should be defined. Chapter 6 is devoted to this important topic, namely the analysis of parameter extraction strategies and parameter optimization. Since this thesis concentrates on modeling of breakdown phenomena that are driven by the electric field within the p-n junction's space charge region, accent is drawn to the p-n junction parameters and their estimation methodologies. More precisely, obtaining parameters of the depletion capacitance and ideal diode current compact model parameters is covered in detail. The estimation strategies are compared in statistical terms which provide an insight in how the two, or more, can be assessed and compared, and which one would be more suitable for use in practice. In particular, it is demonstrated that it is much favorable to extract parameters simultaneously with their (temperature) scaling parameter rather than separately. Additionally, an approach to assess statistical properties of an arbitrary parameter extraction strategy and demonstrate the merits of such assessments is presented.