[发明专利]I-V二阶微分测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种微弱信号检测方法及装置方法，尤其涉及一种I-V测量二阶微分随外界环境变化曲线的装置及方法。

背景技术

电导定义为导电能力，对于某一种导体允许电流通过它的容易性的量度，与电阻成倒数关系，是评价及分析器件和材料基本特性的主要参数。关于电导的测试技术广泛应用于电子、生物及基础研究等领域。例如，半导体器件的导电性能通常不是恒定的，仅靠I-V测量不能实现器件导电性能的分析。对于这些器件，需要在许多点进行详细测量以产生有效的I-V曲线，并获得电导（G = dI/dV，即I-V一阶导数）随外界条件的变化曲线。

目前，随着现代电子器件的尺寸不断缩小，人们更多地依靠微纳技术寻找器件尺寸及其它关键技术的突破。对于微纳米级器件，其基本特性（如物理，化学）受量子特性或外界条件的影响。不仅需要知道器件的电导，还要需要知道电导对电压的导数随外界条件的变化关系，即电流对电压的二阶导数随外界条件的变化关系。公开号CN101666828的发明专利采用傅立叶谱分析仪来测量微分电导，但是这种方法并不直观，需要进行傅立叶变化才可得到基频和二次谐波系数，再通过计算后可得到电导的微分。公开号CN101446620B的发明专利采用锁相放大器测量样品电导的导数随偏压的变化关系，该方法由锁相放大器供给交流信号，所供给信号幅度及精度受锁相放大器的限制（4mVrms-5Vrms）。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种I-V二阶微分的测量装置及方法，它可直接测量I-V的二阶导数随外界条件的变化曲线，比通常的G-V求导的方法具有更高的精度，比利用傅立叶谱分析具有更加方便的特性。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种I-V二阶微分测量装置方法，其特征在于，该方法为：将具有选定频率的交流信号通过具有分压作用的交直流加法器（bias-tee）分压后，再与直流偏压叠加，并共同作用于测试样品，获得含有测试样品信息的信号，该含有测试样品信息的信号经前置放大器放大转换成电压信号，并通过锁相放大器改变参考通道的频率，由锁相放大器测量该电压信号，从而获得二次谐波的有效信号电压，也就是I-V二阶微分的有效信号。

进一步的，该方法中是采用函数发生器产生交流信号，并通过锁相放大器改变参考通道的频率，从而获得二次谐波的电压信号，即，I-V二阶微分的有效信号。

进一步的，该方法中还包含采用环境条件控制系统改变环境条件（如温度、栅控制电压、光照等），并测量I-V二阶微分的操作，从而获得I-V二阶微分随外界环境条件的变化曲线。

一种I-V二阶微分测量装置，其特征在于，它包括一具有分压作用的bias-tee，该bias-tee的交流信号输入端口和直流信号输入端口分别与函数发生器和直流信号源连接，其输出端口与样品、前置放大器和锁相放大器依次串接，所述锁相放大器经参考通道与函数发生器连接。

所述bias-tee包括电感、第一电阻、第二电阻和电容，所述电感一端与直流信号输入端口连接，另一端与电容一端和输出端口连接，电容另一端分别与第一电阻和第二电阻一端连接，第一电阻另一端与交流信号输入端口连接，第二电阻另一端接地。

进一步的，在样品处还设有环境条件控制系统对样品的外界条件进行控制。

样品输入电压为V_in ，本发明的原理如下：

信号携带样品信息后的输出电流，在以直流偏置电压为中心，以微扰的泰勒展开：

令：

其中a、、分别为交流输入信号的振幅和频率，以及直流输入电压值。

    从上式看出，信号电流既有直流信号部分，又有信号频率的各个谐波部分，其中基波频率的幅值为A₁，二次谐波的幅值为A₂。信号电流经过前置放大器后转换为与反馈电阻相乘的电压信号，并继而由锁相放大器采集A₁或A₂值，就可以直接获得I-V二阶微分的有效信号。

本发明的优点至少在于：（1）bias-tee交流通路里含有分压器，交流信号由函数发生器提供，并经过分压后幅度很小，降低了其对直流偏置信号的影响，提高了信噪比；（2）直接测量I-V二阶微分，直接测量I-V二阶微分随外界条件的变化曲线，方法简单，结果直观。利用本发明可以直观的、便捷的判断电子在输运过程中主要的机制。

附图说明