資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：測量方法及其挑戰可以用直流技術或交流技術對納米結構進行刺激和電測量，直到射頻頻率范圍。然而，如果電壓噪聲的階數甚至高于低電平直流信號，則對直流測量技術來說，對感興趣的信號進行測量是非常具有挑戰性的。噪音及其他波段干擾在測試環境中是最高的。
? ? ? 新半導體材料、高溫超導體、光伏器件和有機電子材料的研究通常需要低水平的采購和測量，因為這些材料通常是納米結構。問題是，完全表征此類小型結構所需的低電平測量類型通常會受到大量電源線、熱和其他類型環境噪聲信號的污染。
? ? ? 我們的新技術說明“提高對納米結構低級測量的信心的新方法”檢查了現有方法以及它們如何解決測量中的噪聲挑戰。它還提供了對解決方案的深入了解：同步和模塊化 AC + DC 源和測量系統，利用最佳靈敏度、噪聲抑制和不間斷數據采集作為更自信地表征此類結構的手段。
? ? ? 測量方法及其挑戰
? ? ? 可以用直流技術或交流技術對納米結構進行刺激和電測量，直到射頻頻率范圍。利用直流技術，可以實現靈敏、可重復的NV量程測量，具有良好的精度和重復性.此外，與交流測量相比，直流測量可以更準確地跟蹤國家標準。然而，直流測量方法可能容易受到寬帶噪聲以及1/f或?的噪聲等因素的影響。一個典型的噪聲分布如圖1所示。由測量裝置中的熱?結構產生的寬帶或白噪聲具有頻率無關的噪聲功率密度，其范圍遍及整個頻譜。閃變噪聲是指在所有無源和有源電子元件中由?欠電流產生的電子噪聲。它被描述為1/f噪聲，因為噪聲功率密度與頻率成反比，當測量接近dc或0Hz時，貢獻最大。支配噪聲貢獻從?噪聲轉變為寬帶噪聲的頻率稱為拐角頻率，范圍從50 hz到100 hz以上。
? ? ? 當系統中感興趣的信號具有可比性或大于?噪聲時，直流儀器可以通過平均多次獲取來達到較高的靈敏度。這樣，測量的帶寬就變得非常窄，并且限制了白噪聲的影響。然而，如果1/f電壓噪聲的階數甚至高于低電平直流信號，則對直流測量技術來說，對感興趣的信號進行測量是非常具有挑戰性的。對于這種在研究應用中經常遇到的情況，交流源和測量。
? ? ? 這種方法可以幫助從背景中提取感興趣的信號，方法是將測量頻率從?噪聲貢獻最大的DC移開。用這種交流方法，被測材料或設備在特定的?c單頻(稱為參考頻率f)上受到電壓或電流信號的刺激。
? ? ? 由該儀器產生的電壓；以及在參考頻率的諧波中可能出現的高階響應。有關的調制信號通常是用零差或鎖定技術提取的。利用現代鎖相放大器?，將來自dudt的復合信號數字化，并由參考正弦波A進行數字相乘。
? ? ? 答復。用交流鎖定法，如方程所示，零差檢測的輸出是直流電壓?？梢酝ㄟ^將數字化信號與相移參考信號相乘來確定刺激和響應之間的任何相移。當激勵頻率高于角頻率時，鎖定測量中的噪聲主要是白噪聲。利用鎖定放大器(??Er)提供的更長的鎖定時間常數選擇和更陡的?lter斜率，可以調整交流測量的帶寬以獲得所需的信噪比。
? ? ? 解決方案：DC+AC聯合采購與測量
? ? ? 認識到直流和交流技術的優點和缺點，傳統上需要決定選擇和應用哪種類型的儀器。針對這些挑戰，LakeShore Cryotrics開發了一種用于直流和交流功能的單一儀器，并允許根據測試環境的不同，方便地使用、比較甚至組合各種技術，以獲得最佳效果。這個解決方案，測量準備?M81-SSM同步源測量系統，結合低水平，緊密同步的直流和交流源和測量使用半機架儀器和遠程放大器?ER模塊。遠程放大器?er模塊采用線性拓撲，并允許放置在靠近材料或DUT的地方，以最小化對噪聲的敏感性。通過半機架M81儀器提供的一個用戶界面，Simpli?負責控制和獲取來自多個放大器?er模塊的測量數據。該儀器監控單個DUT或多個DUT上的定時和同步多個測量。圖2顯示了M81-SSM系統，這是該儀器和遠程放大器?的組合，當與湖海岸低溫探測站一起使用時，DUT將安裝在空間站的室內進行晶片上的電子測量。
? ? ? 進一步加強盡量減少噪音的影響
? ? ? 在一臺儀器中同時具有直流和交流源及測量功能的同時，使用戶可以選擇最有效的?技術來獲得最大的靈敏度，而M81-SSM o則有三個額外的特性，以最小化噪聲。刺激信號是測試電路?飽和的關鍵元件，可以作為噪聲源。M81-SSM采用平衡電流源放大器?Er來最小化共模噪聲.此外，所述測量放大器?Er具有較寬的頻率范圍，使用戶能夠在噪聲較低的頻帶中工作。此外，放大器?ER設計了最小的內部和外部噪聲源。
? ? ? 此DC/AC雙電流源放大器?er采用平衡電路拓撲結構，使DUT能夠更好地與接地和任何相關的接地環或噪聲電流隔離。從本質上講，該均衡源向dUT和相關的dierential模式-conc?gured測量放大器?Er提出了一種雙?階躍信號。?oating di水平源信號實質上減少了經常會困擾單端電流源電路的50到60Hz共模噪聲的影響。不平衡單端源e允許共模噪聲成為正常模式噪聲，測量儀器必須從實際信號中提取?噪聲。平衡電流源具有比單端源大得多的抗噪能力，當包含在低溫探測站或制冷機中的極低電阻樣品及其相關噪聲源時，它是最有效的。
? ? ? 與直流測量系統不同的是，M81-SSM模塊可以從極低的頻率(0.1 MHz)到100 kHz的范圍內工作。因此，在m81系統中，可以選擇測量頻率來避免。1/f噪音及其他波段干擾在測試環境中是最高的。一個例子是具有磁性?LD驅動器的測量系統，這種系統通常在1Hz以下的低頻?上產生噪聲，在50或60 Hz的線路頻率附近產生噪聲，以及在高達100 Hz的高頻下產生干擾。在這個例子中，M81刺激源和相位敏感檢測器可以在這些噪聲帶以外的頻率上工作，以達到最佳的測量性能和e科學。
? ? ? 通過使用線性電源和純模擬控制方法，對低電平信號進行了優化。所有的數字邏輯都在M81儀器中，因此在源和測量模塊中沒有數字產生的噪聲。如圖3所示，模塊可以位于DUT附近。這將使傳統儀器與傳統儀器之間的長信號線產生的噪聲降至最低。
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