[实用新型]一种低温STM中测量隧道结电流信号的跨阻放大器电路

说明书

本实用新型公开了一种低温STM中测量隧道结电流信号的跨阻放大器电路，它属于STM测量技术和放大器技术的交叉领域。这个电路的核心是由HEMT场效应晶体管构成的大带宽专用前置放大器，它以具有稳流功能的单电源供电，使HEMT得以安全、稳定地工作，特别是把HEMT放置到离STM隧道结非常近的低温区，减小了信号馈线的电容C_I，增大了电路的带宽，解决了STM工作频率提高时电容C_I使电路的噪声急剧增大的严重问题，使STM能够高速度、高精度完成扫图和测谱工作，还使STM能避开低频段1/f噪声的干扰来测量隧道结散粒噪声等微弱信号，这就为运用低温STM发现微观物质运动的新现象、新规律提供了条件。

技术领域

本实用新型属于低温扫描隧道显微镜测量技术和放大器电路技术的交叉领域，特别是涉及一种在低温扫描隧道显微镜中用于测量隧道结电流相关信号的带输入跨阻放大器电路。

背景技术

扫描隧道显微镜(即STM)其测量的样品为金属、半导体等晶体或衬底表面的量子点、金属表面吸附的单分子等，测量时把探针指向样品表面某个点并且使针尖与样品离开极小的距离，则针尖与样品间便形成“隧道结”，在此隧道结上施加固定的直流偏压V，便可以测得流经隧道结的电流I，使探针扫描样品表面各点，则可以通过测量隧道结电流I得到反映样品表面微观结构的形貌图像，此工作以下简称为“STM 扫图”。当把探针固定为指向样品表面的某点时，在隧道结上施加直流偏压V，同时又叠加振幅为ΔV、频率为f的小电压“正弦调制信号”，测量相应于ΔV的隧穿电流变化量ΔI，可以得到对应于直流偏压V的微分电导谱点dI/dV，多次改变直流偏压V来测量dI/dV，就可以得到微分电导谱线dI/dV-V，进而还可以得到二阶微分谱线d²I/dV²-V；与隧穿电流相关的微分电导谱、二阶微分谱等都属于“扫描隧道谱”(即STS 谱)；使探针扫描样品表面各点，相应于各点测量STS谱，还可以得到样品表面的STS谱图。另外，在适当的条件下还可以通过测量隧道结电流而测得隧道结的散粒噪声、电容等，使探针扫描样品表面各点，又可以得到散粒噪声谱图、电容谱图等，这些谱和谱图也含有样品表面微观结构和物性的信息。这些工作以下简称为“STM测谱”。STM测谱是研究晶体、量子点、单分子等物质微观物性的非常有效的手段。

用STM完成扫图、测谱等工作，都需要对流经隧道结的电流用跨阻放大器(简称为“TIA”)进行放大，放大后输出电压信号，再在TIA输出端接测量仪器完成所述测量。现有的低温STM，探针与样品一般放置在液氦冷却的低温区，针尖-样品的温度为4.2K，还有的低温STM其针尖-样品温度在0.5K以下。然而，低温STM中传统的TIA其前置放大器是由双极型晶体管构成，这类晶体管无法在低温区工作，只能放置在室温区，因此要把TIA用很长的信号馈线(约1～2米，一般用同轴线)与低温区的针尖-样品相连接。