2022-10-26 09:15:24 由 yihong 发表
Lake Shore Cryotronics 8400 系列的 84033 选件扩展了系统的直流场霍尔测量能力，用于测量各种低电阻材料。在本文说明中，我们将专门研究金属中霍尔电压的测量。 此外，我们将在电阻值范围内将低电阻模式与标准电阻模式和高电阻模式进行比较。 其他应用说明将侧重于其他材料的测量。
方法
低电阻选项在三角模式下使用吉时利 6220 型直流电流源和吉时利 2182A 型纳伏表。在这种模式下，两台吉时利仪器通过专用接口进行通信，以从 6220 产生方波电流源并同步检测电压 通过 2182A。
图 1 - 与 84033 低电阻选件一起使用的吉时利 delta 模式示意图。
图 1 是测量协议的示意图。 对于 6220 输出的每个周期，电流反向电压计算为 (V(I+)-V(I-))/2。 这里，V(I+) 是正电流的 2182A 读数，V(I-) 是负电流的 2182A 读数。 这与 8400 系列 HMS 标准和高电阻模式下的电流反向电压计算相同，只是测量速度更快。 在 8400 系统中配置的 delta 模式下，方波的频率约为 24 Hz。在标准和高电阻模式下，电流反转之间的默认时间为 10 秒。 delta 模式的较高频率降低了测量中的 1/f 噪声，从而降低了测量噪声。
金属的霍尔测量
样品和测量条件
样品是大约 100 nm 厚的钼薄膜。 钼中的载流子类型为 p 型，霍尔系数约为 1.8 × 10-12 C/m3。 霍尔电压与场的关系是使用 8407 型 HMS 测量的。 场以 0.1 T 的步长从 -2 T 变化到 2 T。 样品在标准电阻模式下测量，电流为 1 mA 和 10 mA。 样品还在低电阻模式下测量，电流为 0.1 mA、1 mA 和 10 mA。 霍尔电压是使用直流场模式测量的。 在 8400 系列系统中，不能同时使用交流磁场和低电阻模式。
结果
图 2 是 1 mA 电流下低电阻模式和标准电阻模式下霍尔电压与场的关系图。
图 2 - 低电阻和标准电阻模式下霍尔电压与场的关系，激励电流为 1 mA。标准电阻数据为蓝色，低电阻数据为橙色。
如果霍尔电压以微伏为单位，则最佳拟合线的斜率为 (106 I RH )/t，其中 RH 是霍尔系数，t 是厚度，I 是激励电流。 在这种情况下，低电阻模式和标准模式的斜率仅相差 2%。 从斜率计算的霍尔系数约为 1.7 × 10-11 C/m3。 标准电阻模式的拟合标准偏差为 100 nV，低电阻模式的拟合标准偏差为 3 nV。 标准电阻模式的噪声是低电阻模式的 33 倍。
表 1——所有测量的总结。 拟合的标准偏差不依赖于励磁电流。
讨论
拟合的标准偏差不取决于此处研究的电流范围内的激励电流。标准电阻模式的拟合标准偏差为 100 nV，低电阻模式的拟合标准偏差为 3 nV。 这些噪声值与 2182A 电压表的噪声一致。 在这个电阻范围内，电压表噪声在测量噪声中占主导地位。 由此，我们可以将电阻的标准偏差计算为电压读数的标准偏差除以电流。 8400 系统可以使用的最大电流为 100 mA。 表 2 是假设电流为 100 mA 和电流为 1 mA 时的电阻噪声汇总。 对于该表，最小可检测电阻定义为噪声的 10 倍。
表 2——假设激励电流为 100 mA 和 1 mA 时的电阻噪声汇总。最小可检测电阻定义为电阻噪声的 10 倍。
电阻测量
样品和测量条件
在此测量中，使用不同电流测量值为 11.3 Ω、511 Ω、100 kΩ 和 1 MΩ 的标准 1% 电阻器。 所有电阻器均在低电阻模式下测量。 此外，11.3 Ω、500 Ω 和 100 kΩ 电阻器在标准电阻模式下测量，100 kΩ 和 1 MΩ 电阻器在高电阻模式下测量。
与标准高电阻模式相比，低电阻模式提供了更低的噪声测量。 对于 100 kΩ 以上的电阻，低电阻模式的精度会降低。 请注意，1 MΩ 电阻的测量值为 934 kΩ，误差约为 6%。 该误差是由于电缆的电容导致未补偿的电压测量的相移。
表 3——使用低阻、标准和高阻模式的电阻测量结果汇总。
结论
8400 系列 HMS 系统的标准电阻模式具有 100 nV 的本底噪声。 这是由霍尔电压与场的线性拟合确定的。 使用低电阻选项会将此电压噪声降低到 3 nV。 假设测量电流为 100 mA，这意味着电阻的本底噪声为 1 µΩ（标准电阻模式）和 0.03 µΩ（低电阻模式）。
对于电阻测量，低电阻测量为高达 100 kΩ 的电阻提供了更低的噪声。
与标准电阻模式相比，8400 系列系统的低电阻选项可提供更好的信噪比，适用于高达 100 kΩ 的电阻测量和使用直流场对电阻小于 100 kΩ 的样品测量的霍尔电压。
