超快瞬态电学响应信号的双探头低噪声测试方法

摘要

本发明属于电学测量技术领域，具体为一种超快瞬态电学响应信号的双探头低噪声测试方法。本发明使用两个相同型号的电压测试探头分别测量待测器件的两个电极；每个电压探头与待测器件的两个电极通过固定装置固定相对位置；从而精确测得器件对脉冲激励信号的快速电流或电压响应。传统的单探头测量方法中若使用更灵敏的（高带宽、采样率）示波器和探头，则会引入高频噪声信号，从而严重影响测量结果的质量。本发明的方法则可以避免这一问题，因而允许以更高的带宽和采样率测量器件的电流或电压响应。

说明书

技术领域

本发明属于电学测量技术领域，具体涉及一种超快瞬态电学响应信号的测试方法。

背景技术

在研究电子功能器件（例如光电池、记忆器件、压电器件、热电器件等）内部的微观物理过程的时候，常常需要测量器件对外部脉冲激励信号（突然施加的力、热、光或者电信号等）的瞬态电学响应（包括电压和电流）。这种器件通常包含两个电极用于输入或者输出电学信号（电压或电流）。在过去的研究中，通常是将器件的两个电极之一接地，然后使用示波器以及一个电压或电流探头来对另一个电极的电学信号进行测量。在过去较长时间内，受限于测量设备，很难对快速高频（<10纳秒，>100MHz）的电压电流进行有效的测量。随着技术的进步，尤其是更高带宽高采样率的示波器和探头的商用化，人们现在拥有了研究更快信号的基础设备。但是在具体的工作中我们发现，如果在传统的单探头测量电路基础上，简单地直接使用这些极为灵敏的高参数商用设备，会导致测量得到很多高频噪声信号，因而无法对器件内部的物理过程进行可靠地测量。

本发明尝试改进过去工作中使用的单探头测量方法，转而采用两个探头同时检测待测样品的两个电极。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对器件内部的物理过程进行可靠地测量的超快瞬态电学响应信号的测试方法。

本发明提出的超快瞬态电学响应信号的测试方法，使用两个相同型号的电压测试探头（都接地）分别测量待测器件的两个电极；每个电压探头与待测器件的两个电极通过固定装置固定相对位置；从而快速测得器件对脉冲激励信号的电流或电压响应；其中：

用高导电导体屏蔽待测器件的两个电极，待测器件的电极和屏蔽导体之间应使用绝缘体分隔开；屏蔽导体接地；电压测试探头的接地端通过接地柱（以最短的路径）连接到屏蔽导体上；两个探头的接地柱的形状保持一致；

若测量器件的电压信号响应，则无需进行更多电路连接的步骤；若测量器件的电流信号响应，则将一个较小（小于待测器件的输出电阻）的电阻的两个电极分别连接到两个探头的测试端上；

（1）测试时，将脉冲激励信号产生装置与示波器之间以合适的方式进行同步，确保能够在激励信号发生的时间点开始进行电压信号采集；

（2）打开脉冲激励信号产生装置生成激励信号，以合适的方式避免该信号作用到待测器件上，同时记录示波器测量到的电压信号；若测量结果噪声较大，则进行多次测量取平均值，记为背景信号；

（3）允许激励信号作用到待测器件上，同时记录示波器测量到的电压信号；若测量结果噪声较大，则进行多次测量取平均值，记为激励信号；

（4）计算激励信号与背景信号之间的差值，所得结果即为最终测量结果，即器件对脉冲激励信号的响应。

本发明中，用于固定电压测试探头与待测器件的两个电极相对位置的固定装置，可设计为如图4所述的结构形式。包括：导体底座、接地导体、绝缘层、接地柱、夹具、固定螺栓等。其中，接地导体与导体底座直接连通，用于屏蔽电磁干扰。待测器件的电极以一绝缘层与接地导体和导体底座隔开。绝缘层以及接地导体留有测试孔，可供测试探头尖端伸入，与电极样品接触；夹具设在导体底座上方，用于夹持测试探头，导体底座与夹具之间由固定螺栓固定。接地柱位于接地导体上，方便与测试探头的接地端连接。

固定装置可以某种方式固定在更稳定的平面（例如桌子、实验台、光学平台）上。

传统的单探头测量方法中若使用更灵敏的（高带宽、采样率）示波器和探头，则会引入高频噪声信号，从而严重影响测量结果的质量。应用本发明的方法则可以避免这一问题，因而允许以更高的带宽和采样率测量器件的电流或电压响应。

附图说明

图1为传统单探头法电路示意图。

图2为本发明设计的双探头法电路示意图。若测量电压响应，则不使用图中的电流测试用电阻。如测量电流信号，则引入一个较小（小于器件的输出电阻）的电流测试电阻。

图3为单探头法（圆圈）与双探头法（方块）的测量结果比较。为了容易观察，将其中单探头法的测量结果在纵轴方向向上平移了0.1 V。测量带宽1.5 GHz（限于实验所用的P6245电压探头），在100纳秒以内使用每秒50 G次的采样率，在较大的时间尺度上则相应使用较小的采样率（限于实验所用示波器的记忆深度）。

图4为探头与待测器件电极之间的固定装置。

具体实施方式

为了方便理解，下面结合示意图和测量数据，描述一次具体的测量实例。

在这一具体的测量实验中，使用脉冲激光作为脉冲激励信号，测量有机光电器件（结构为氧化铟锡、500纳米厚度的N,N′-二(1-萘基)-N,N′-二苯基-1, 1′-联苯-4-4′-二胺（N,N′-Di-[(1-naphthyl)-N,N′-diphenyl]-1,1′-biphenyl)-4,4′-diamine ，NPB）薄膜、20纳米厚的银薄膜）的瞬态电压响应。实验采用的示波器为泰克公司（Tektronix）的DPO71254C，两个探头是泰克公司（Tektronix）的P6245有源电压探头。脉冲激光器是Quantel公司的Brio激光器。测试系统（示波器及探头）通过激光器产生的触发信号与脉冲激光保持同步，确保在激光发出的时间点开始测量。

首先作为对照组，进行了传统单探头方式的测量。测量电路如图1所示。探头的测试端和接地端以鳄鱼夹固定在器件电极和地线上。由于测量的是电压响应，因此图中的电流测试用电阻并没有连接。若需要测量电流响应，则将一较小电阻接在图中电流测试用电阻的位置。首先以一遮光板遮住待测器件，测量背景信号；再移除遮光板，测量光激励信号；最终计算光激励信号和背景信号之差，得到待测器件对脉冲激光的瞬态电压响应。测量结果如图3中的圆圈所示。可以观察到该测量结果在100纳秒以内和10毫秒以上的时间范围内有明显的噪声。

接下来使用本发明的双探头法进行测量，电路如图2所示。由于测量的是电压响应，因此图中的电流测试用电阻并没有连接。若需要测量电流响应，则将一较小电阻接在图中电流测试用电阻的位置。除此之外，将探头与器件以特别设计的装置进行固定，固定装置如图3所示（测试中需要两个相同装置以固定两个探头）。其中样品电极与屏蔽用的接地导体（紫铜）之间以绝缘材料（特氟龙薄膜）分隔开。探头测试端接触器件的一个电极，接地端通过铍铜接地柱连接到屏蔽用的接地导体。探头以一黄铜夹具与以固定用螺栓相连，然后将该固定用螺栓拧到屏蔽用接地导体上的预留孔中。为了进一步避免震动，还在固定装置的底部打有匹配光学平台的螺孔（M6），从而将整个测试电路连同器件固定在光学平台上。首先以一遮光板遮住待测器件，测量背景信号；再移除遮光板，测量光激励信号；最终计算光激励信号和背景信号之差，得到待测器件对脉冲激光的瞬态电压响应。测量结果如图3中的方块所示。

对比图3中两种实验装置的测量结果，可以观察到该测量结果中没有明显的噪声信号。