? ? ? 新半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)體、光伏器件和有機(jī)電子材料的研究通常需要低水平的采購和測(cè)量，因?yàn)檫@些材料通常是納米結(jié)構(gòu)。問題是，完全表征此類小型結(jié)構(gòu)所需的低電平測(cè)量類型通常會(huì)受到大量電源線、熱和其他類型環(huán)境噪聲信號(hào)的污染。

? ? ? 我們的新技術(shù)說明“提高對(duì)納米結(jié)構(gòu)低級(jí)測(cè)量的信心的新方法”檢查了現(xiàn)有方法以及它們?nèi)绾谓鉀Q測(cè)量中的噪聲挑戰(zhàn)。它還提供了對(duì)解決方案的深入了解：同步和模塊化 AC + DC 源和測(cè)量系統(tǒng)，利用最佳靈敏度、噪聲抑制和不間斷數(shù)據(jù)采集作為更自信地表征此類結(jié)構(gòu)的手段。

? ? ? 測(cè)量方法及其挑戰(zhàn)

? ? ? 可以用直流技術(shù)或交流技術(shù)對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行刺激和電測(cè)量，直到射頻頻率范圍。利用直流技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)靈敏、可重復(fù)的NV量程測(cè)量，具有良好的精度和重復(fù)性.此外，與交流測(cè)量相比，直流測(cè)量可以更準(zhǔn)確地跟蹤國家標(biāo)準(zhǔn)。然而，直流測(cè)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(gè)典型的噪聲分布如圖1所示。由測(cè)量裝置中的熱?結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的寬帶或白噪聲具有頻率無關(guān)的噪聲功率密度，其范圍遍及整個(gè)頻譜。閃變?cè)肼暿侵冈谒袩o源和有源電子元件中由?欠電流產(chǎn)生的電子噪聲。它被描述為1/f噪聲，因?yàn)樵肼暪β拭芏扰c頻率成反比，當(dāng)測(cè)量接近dc或0Hz時(shí)，貢獻(xiàn)最大。支配噪聲貢獻(xiàn)從?噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)閷拵г肼暤念l率稱為拐角頻率，范圍從50 hz到100 hz以上。

? ? ? 當(dāng)系統(tǒng)中感興趣的信號(hào)具有可比性或大于?噪聲時(shí)，直流儀器可以通過平均多次獲取來達(dá)到較高的靈敏度。這樣，測(cè)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(shù)甚至高于低電平直流信號(hào)，則對(duì)直流測(cè)量技術(shù)來說，對(duì)感興趣的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量是非常具有挑戰(zhàn)性的。對(duì)于這種在研究應(yīng)用中經(jīng)常遇到的情況，交流源和測(cè)量。

? ? ? 這種方法可以幫助從背景中提取感興趣的信號(hào)，方法是將測(cè)量頻率從?噪聲貢獻(xiàn)最大的DC移開。用這種交流方法，被測(cè)材料或設(shè)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(hào)的刺激。

? ? ? 由該儀器產(chǎn)生的電壓；以及在參考頻率的諧波中可能出現(xiàn)的高階響應(yīng)。有關(guān)的調(diào)制信號(hào)通常是用零差或鎖定技術(shù)提取的。利用現(xiàn)代鎖相放大器?，將來自dudt的復(fù)合信號(hào)數(shù)字化，并由參考正弦波A進(jìn)行數(shù)字相乘。

? ? ? 答復(fù)。用交流鎖定法，如方程所示，零差檢測(cè)的輸出是直流電壓。可以通過將數(shù)字化信號(hào)與相移參考信號(hào)相乘來確定刺激和響應(yīng)之間的任何相移。當(dāng)激勵(lì)頻率高于角頻率時(shí)，鎖定測(cè)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(shí)間常數(shù)選擇和更陡的?lter斜率，可以調(diào)整交流測(cè)量的帶寬以獲得所需的信噪比。

? ? ? 解決方案：DC+AC聯(lián)合采購與測(cè)量

? ? ? 認(rèn)識(shí)到直流和交流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，傳統(tǒng)上需要決定選擇和應(yīng)用哪種類型的儀器。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，LakeShore Cryotrics開發(fā)了一種用于直流和交流功能的單一儀器，并允許根據(jù)測(cè)試環(huán)境的不同，方便地使用、比較甚至組合各種技術(shù)，以獲得最佳效果。這個(gè)解決方案，測(cè)量準(zhǔn)備?M81-SSM同步源測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合低水平，緊密同步的直流和交流源和測(cè)量使用半機(jī)架儀器和遠(yuǎn)程放大器?ER模塊。遠(yuǎn)程放大器?er模塊采用線性拓?fù)洌⒃试S放置在靠近材料或DUT的地方，以最小化對(duì)噪聲的敏感性。通過半機(jī)架M81儀器提供的一個(gè)用戶界面，Simpli?負(fù)責(zé)控制和獲取來自多個(gè)放大器?er模塊的測(cè)量數(shù)據(jù)。該儀器監(jiān)控單個(gè)DUT或多個(gè)DUT上的定時(shí)和同步多個(gè)測(cè)量。圖2顯示了M81-SSM系統(tǒng)，這是該儀器和遠(yuǎn)程放大器?的組合，當(dāng)與湖海岸低溫探測(cè)站一起使用時(shí)，DUT將安裝在空間站的室內(nèi)進(jìn)行晶片上的電子測(cè)量。

? ? ? 進(jìn)一步加強(qiáng)盡量減少噪音的影響

? ? ? 在一臺(tái)儀器中同時(shí)具有直流和交流源及測(cè)量功能的同時(shí)，使用戶可以選擇最有效的?技術(shù)來獲得最大的靈敏度，而M81-SSM o則有三個(gè)額外的特性，以最小化噪聲。刺激信號(hào)是測(cè)試電路?飽和的關(guān)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(cè)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(shè)計(jì)了最小的內(nèi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使DUT能夠更好地與接地和任何相關(guān)的接地環(huán)或噪聲電流隔離。從本質(zhì)上講，該均衡源向dUT和相關(guān)的dierential模式-conc?gured測(cè)量放大器?Er提出了一種雙?階躍信號(hào)。?oating di水平源信號(hào)實(shí)質(zhì)上減少了經(jīng)常會(huì)困擾單端電流源電路的50到60Hz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(cè)量儀器必須從實(shí)際信號(hào)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(dāng)包含在低溫探測(cè)站或制冷機(jī)中的極低電阻樣品及其相關(guān)噪聲源時(shí)，它是最有效的。

? ? ? 與直流測(cè)量系統(tǒng)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(nèi)工作。因此，在m81系統(tǒng)中，可以選擇測(cè)量頻率來避免。1/f噪音及其他波段干擾在測(cè)試環(huán)境中是最高的。一個(gè)例子是具有磁性?LD驅(qū)動(dòng)器的測(cè)量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常在1Hz以下的低頻?上產(chǎn)生噪聲，在50或60 Hz的線路頻率附近產(chǎn)生噪聲，以及在高達(dá)100 Hz的高頻下產(chǎn)生干擾。在這個(gè)例子中，M81刺激源和相位敏感檢測(cè)器可以在這些噪聲帶以外的頻率上工作，以達(dá)到最佳的測(cè)量性能和e科學(xué)。

? ? ? 通過使用線性電源和純模擬控制方法，對(duì)低電平信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化。所有的數(shù)字邏輯都在M81儀器中，因此在源和測(cè)量模塊中沒有數(shù)字產(chǎn)生的噪聲。如圖3所示，模塊可以位于DUT附近。這將使傳統(tǒng)儀器與傳統(tǒng)儀器之間的長信號(hào)線產(chǎn)生的噪聲降至最低。