电子设备及半导体测量之“纳米结构的低级测量”技术说明
新半导体材料、高温超导体、光伏器件和有机电子材料的研究通常需要低水平的采购和测量，因为这些材料通常是纳米结构。问题是，完全表征此类小型结构所需的低电平测量类型通常会受到大量电源线、热和其他类型环境噪声信号的污染。
我们的新技术说明“提高对纳米结构低级测量的信心的新方法”检查了现有方法以及它们如何解决测量中的噪声挑战。它还提供了对解决方案的深入了解：同步和模块化 AC + DC 源和测量系统，利用最佳灵敏度、噪声抑制和不间断数据采集作为更自信地表征此类结构的手段。
测量方法及其挑战
可以用直流技术或交流技术对纳米结构进行刺激和电测量，直到射频频率范围。利用直流技术，可以实现灵敏、可重复的NV量程测量，具有良好的精度和重复性.此外，与交流测量相比，直流测量可以更准确地跟踪国家标准。然而，直流测量方法可能容易受到宽带噪声以及1/f或fl的噪声等因素的影响。一个典型的噪声分布如图1所示。由测量装置中的热fl结构产生的宽带或白噪声具有频率无关的噪声功率密度，其范围遍及整个频谱。闪变噪声是指在所有无源和有源电子元件中由fl欠电流产生的电子噪声。它被描述为1/f噪声，因为噪声功率密度与频率成反比，当测量接近dc或0Hz时，贡献最大。支配噪声贡献从fl噪声转变为宽带噪声的频率称为拐角频率，范围从50 hz到100 hz以上。
当系统中感兴趣的信号具有可比性或大于fl噪声时，直流仪器可以通过平均多次获取来达到较高的灵敏度。这样，测量的带宽就变得非常窄，并且限制了白噪声的影响。然而，如果1/f电压噪声的阶数甚至高于低电平直流信号，则对直流测量技术来说，对感兴趣的信号进行测量是非常具有挑战性的。对于这种在研究应用中经常遇到的情况，交流源和测量。
这种方法可以帮助从背景中提取感兴趣的信号，方法是将测量频率从fl噪声贡献最大的DC移开。用这种交流方法，被测材料或设备在特定的fic单频(称为参考频率f)上受到电压或电流信号的刺激。
由该仪器产生的电压；以及在参考频率的谐波中可能出现的高阶响应。有关的调制信号通常是用零差或锁定技术提取的。利用现代锁相放大器fi，将来自dudt的复合信号数字化，并由参考正弦波A进行数字相乘。
答复。用交流锁定法，如方程所示，零差检测的输出是直流电压。可以通过将数字化信号与相移参考信号相乘来确定刺激和响应之间的任何相移。当激励频率高于角频率时，锁定测量中的噪声主要是白噪声。利用锁定放大器(fifiEr)提供的更长的锁定时间常数选择和更陡的filter斜率，可以调整交流测量的带宽以获得所需的信噪比。
解决方案：DC+AC联合采购与测量
认识到直流和交流技术的优点和缺点，传统上需要决定选择和应用哪种类型的仪器。针对这些挑战，LakeShore Cryotrics开发了一种用于直流和交流功能的单一仪器，并允许根据测试环境的不同，方便地使用、比较甚至组合各种技术，以获得最佳效果。这个解决方案，测量准备™M81-SSM同步源测量系统，结合低水平，紧密同步的直流和交流源和测量使用半机架仪器和远程放大器fiER模块。远程放大器fier模块采用线性拓扑，并允许放置在靠近材料或DUT的地方，以最小化对噪声的敏感性。通过半机架M81仪器提供的一个用户界面，Simplifi负责控制和获取来自多个放大器fier模块的测量数据。该仪器监控单个DUT或多个DUT上的定时和同步多个测量。图2显示了M81-SSM系统，这是该仪器和远程放大器fi的组合，当与湖海岸低温探测站一起使用时，DUT将安装在空间站的室内进行晶片上的电子测量。
进一步加强尽量减少噪音的影响
在一台仪器中同时具有直流和交流源及测量功能的同时，使用户可以选择最有效的fl技术来获得最大的灵敏度，而M81-SSM o则有三个额外的特性，以最小化噪声。刺激信号是测试电路fi饱和的关键元件，可以作为噪声源。M81-SSM采用平衡电流源放大器fiEr来最小化共模噪声.此外，所述测量放大器fiEr具有较宽的频率范围，使用户能够在噪声较低的频带中工作。此外，放大器fiER设计了最小的内部和外部噪声源。
此DC/AC双电流源放大器fier采用平衡电路拓扑结构，使DUT能够更好地与接地和任何相关的接地环或噪声电流隔离。从本质上讲，该均衡源向dUT和相关的dierential模式-concfigured测量放大器fiEr提出了一种双fi阶跃信号。floating di水平源信号实质上减少了经常会困扰单端电流源电路的50到60Hz共模噪声的影响。不平衡单端源e允许共模噪声成为正常模式噪声，测量仪器必须从实际信号中提取fi噪声。平衡电流源具有比单端源大得多的抗噪能力，当包含在低温探测站或制冷机中的极低电阻样品及其相关噪声源时，它是最有效的。
与直流测量系统不同的是，M81-SSM模块可以从极低的频率(0.1 MHz)到100 kHz的范围内工作。因此，在m81系统中，可以选择测量频率来避免。1/f噪音及其他波段干扰在测试环境中是最高的。一个例子是具有磁性fiLD驱动器的测量系统，这种系统通常在1Hz以下的低频fl上产生噪声，在50或60 Hz的线路频率附近产生噪声，以及在高达100 Hz的高频下产生干扰。在这个例子中，M81刺激源和相位敏感检测器可以在这些噪声带以外的频率上工作，以达到最佳的测量性能和e科学。
通过使用线性电源和纯模拟控制方法，对低电平信号进行了优化。所有的数字逻辑都在M81仪器中，因此在源和测量模块中没有数字产生的噪声。如图3所示，模块可以位于DUT附近。这将使传统仪器与传统仪器之间的长信号线产生的噪声降至最低。
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