电子设备/半导体测量中“纳米结构的低水平测量”的技术讲解（nanotesting）

摘要：测量方法和挑战 可以使用高达射频频率范围的直流或交流技术对纳米结构进行电刺激和测量。 然而，如果电压噪声的阶数高于低电平直流信号，则使用直流测量技术来测量感兴趣的信号可能非常困难。 测试环境中来自其他频段的噪声和干扰最高。

对新型半导体材料、高温超导体、光伏器件和有机电子材料的研究需要低水平的采购和测量，因为这些材料通常是纳米结构的。 问题在于，充分表征此类小型结构所需的低级测量常常受到来自大型电源线、热量和其他类型环境噪声的信号的污染。

在我们的新技术说明“提高纳米结构低水平测量信心的新方法”中，我们回顾了现有方法以及它们如何应对我们正在考虑的测量中的噪声挑战。 我们还提供了解决方案的见解：同步模块化交流 + 直流电源和测量系统，该系统利用最佳灵敏度、噪声抑制和不间断数据采集作为更可靠地表征此类结构的手段。

测量方法和挑战

纳米结构可以使用高达射频频率范围的直流或交流技术进行电刺激和测量。 使用直流技术，可以实现灵敏且可重复的 NV 范围测量，并具有良好的精度和可重复性。 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，直流测量方法可能会受到宽带噪声和 1/f 或 ? 等因素的影响。 噪音。 典型的噪声分布如图 1 所示。 由热噪声产生的宽带或白噪声。 测量设备内的结构具有分布在整个频谱上的与频率无关的噪声功率密度。 闪烁噪声是指所有无源和有源电子元件中由暗电流产生的电子噪声。 这被描述为 1/f 噪声，因为噪声功率密度与频率成反比，并且在测量接近 DC 或 0Hz 时贡献最大。 主导噪声贡献转变的频率。 从噪声到宽带噪声的范围称为转角频率，其范围从 50 Hz 到 100 Hz 或更高。

如果系统中感兴趣的信号与噪声一样大或更大，则 DC 仪器可以通过对多次采集进行平均来获得更高的灵敏度。可以实现。 这样，测量带宽很窄，白噪声的影响有限。 然而，如果 1/f 电压噪声的数量级高于低电平 DC 信号，则使用 DC 测量技术来测量感兴趣的信号将变得非常困难。 在这种情况下，经常发生在研究应用中，交换源和测量结果。

该方法通过将测量频率移离噪声贡献最大的直流，帮助从背景中提取所需信号。 在这种交流方法中，被测材料或设备受到特定单一频率（称为参考频率f）的电压或电流信号的激励。

设备产生的电压。 以及可能发生在参考频率的谐波处的高阶响应。 通常使用零差或锁定技术来提取感兴趣的调制信号。 使用现代锁定放大器，将来自 DUDT 的复合信号数字化并与参考正弦波 A 进行数字相乘。

回复。 在交流锁定方法中，零差检测的输出是直流电压，如式（1）所示。 刺激和响应之间的相移可以通过将数字化信号乘以相移参考信号来确定。 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。 锁定放大器 (fifiEr) 提供的较长锁定时间常数选择和较陡的滤波器斜率可用于调整 AC 测量的带宽，以获得所需的信噪比。

解决方案：DC+AC联合采购和测量

传统上，认识到直流和交流技术的优缺点，选择和应用哪种类型的设备，我必须决定要做什么做。 为了应对这些挑战，LakeShore Cryotrics 开发了一款兼具直流和交流功能的仪器，使其易于使用、比较，甚至组合不同的技术，以最适合您的测试环境，从而获得良好的结果。 该解决方案，Measurement Ready™ M81-SSM 同步源测量系统将低电平、紧密同步的直流和交流源与使用半机架仪器和远程放大器模块的测量相结合。 远程放大器模块采用线性拓扑，可以靠近材料或 DUT 放置，以最大限度地减少噪声影响。 Simplicity 负责通过半机架 M81 仪器提供的单个用户界面控制和采集多个放大器模块的测量数据。 该仪器监视单个 DUT 或多个 DUT 上的多个测量的定时和同步。 图 2 显示了将该器件与远程放大器结合在一起的 M81-SSM 系统。 当与 Lake Coast 低温观测站结合使用时，DUT 将安装在空间站室内，以执行晶圆上电子测量。

进一步努力最大限度地减少噪声影响

凭借一台仪器中的直流和交流电源以及测量功能，用户可以选择最有效的 Flo 技术来提高灵敏度。 M81-SSM 具有三个可最大限度降低噪声的附加功能。 激励信号是测试电路饱和的重要因素，可以充当噪声源。 M81-SSM 使用平衡电流源放大器来最大限度地减少共模噪声。 此外，测量放大器 fiEr 具有较宽的频率范围，允许用户在较低噪声频段工作。 此外，放大器的设计可最大限度地减少内部和外部噪声源。

该直流/交流双电流源放大器采用平衡电路拓扑，以更好地将 DUT 与接地以及相关接地环路和噪声电流隔离。 本质上，该均衡源向 dUT 和设置为差分模式 - 的相关测量放大器 Er 提供双步信号。 浮动水平源信号显着降低了经常困扰单端电流源电路的 50-60Hz 共模噪声的影响。 对于不平衡单端源，共模噪声可能变成常模噪声，测量设备必须从实际信号中提取噪声。 平衡电流源比单端电流源具有更好的抗噪声能力，并且在低温检测站或低温冷却器包含电阻非常低的样品及其相关噪声源时非常有用。

和直流测量系统与传统系统不同，M81-SSM 模块可以在极低频率 (0.1 MHz) 至 100 kHz 范围内运行。 因此，m81 系统允许您选择要避免的测量频率。 测试环境中其他频段的 1/f 噪声和干扰最高。 一个例子是带有磁性 LD 驱动器的测量系统。 这通常会产生低频噪声。 低于 1 Hz 的噪声、接近 50 或 60 Hz 线路频率的噪声以及高达 100 Hz 的高频干扰。 在此示例中，M81 激励源和相敏检测器可以在这些噪声频带之外的频率下工作，以实现最佳的测量性能和效率。

低电平信号通过使用线性电源和纯模拟控制方案进行优化。 所有数字逻辑均位于 M81 仪器内，因此源或测量模块中不存在数字生成的噪声。 该模块可以靠近 DUT 放置，如图 3 所示。 这可以最大限度地减少传统设备之间长信号线产生的噪声。