Optimierung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers

Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technik nimmt die Bedeutung kleiner Gleichströme im Sub-Nanoamperebereich stetig zu. Die höchsten Anforderungen bestehen zurzeit bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen. Hier werden Unsicherheiten von unter 0.1 μA/A bei 100 pA gefordert. Bis 2014 waren in diesem Bereich allerdings nur Unsicherheiten von typisch 10 μA/A möglich. Durch die Entwicklung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers (ULCA) konnten in der Kleinstrom-Metrologie in den vergangenen Jahren wesentliche Fortschritte bei der Messunsicherheit erzielt und damit neue Weltrekorde im Bereich der Einzelelektronenpumpenforschung aufgestellt werden.
Der ULCA ist ein halbleiterbasierter Verstärker zur Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken. Sein Verstärkungsfaktor (Transresistanz) ist extrem stabil. Das Rauschniveau von 2.4 fA/sqrt(Hz) begrenzt allerdings bei sehr kleinen Stromstärken die in der Praxis erreichbare Unsicherheit.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ULCA weiterentwickelt und optimiert. Hierfür wurde ein Modell für das Rauschen und den Eingangsruhestrom erarbeitet. Mit Hilfe dieses Modells erfolgte die Entwicklung einer rauschoptimierten ULCAVariante, die ein reduziertes Rauschen ohne Stabilitätsminderung erzielt. Die unveränderte hohe Stabilität der Transresistanz wurde durch umfangreiche Messungen nachgewiesen. Mit dem rauschoptimierten ULCA lassen sich daher die langen Messzeiten bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen bei gleicher Unsicherheit um bis auf die Hälfte reduzieren.
Für sehr kleine Ströme unterhalb von ca. 1 pA wurde eine ULCA-Variante mit minimalem Rauschen entwickelt. Sie erreicht ein Rauschniveau von 0.4 fA/sqrt(Hz) und ermöglicht Unsicherheiten bis herab zu 10 μA/A. Ferner liegt der Eingangsruhestrom bei dieser Variante unter 100 aA und ist sowohl zeitlich als auch über der Temperatur sehr stabil. Dadurch kann in vielen Fällen auf das bei Präzisionsmessungen übliche Umpolen des Messstroms zur Unterdrückung von Offset-Effekten verzichtet werden. Mit dieser ULCA-Variante wurde das Stromrauschen von Kabeln untersucht und eine rauscharme Verkabelung für die kryogenen Messaufbauten von Einzelelektronenpumpen gefunden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit lieferten wichtige Beiträge für die Präzisionsmessung kleiner Gleichströme. Der rauschoptimierte ULCA ist mittlerweile kommerziell erhältlich und es ist zu erwarten, dass sich dieses Instrument in der Kleinstrom-Metrologie als Standard etablieren wird. The importance of small direct currents in the sub-nano ampere range is steadily increasing in science and technology. The highest accuracy requirements currently exist in the characterization of single electron pumps. Uncertainties of below one part in 107 at 100 pA are required. Until 2014, however, only uncertainties of typically one part in 105 were possible in this range. In the past years, the development of the ultrastable low-noise current amplifier (ULCA) has enabled significant improvement of the measurement uncertainty in the field of small-current metrology, and new world records were achieved in the field of single electron pump research.
The ULCA is a semiconductor-based amplifier for the measurement and generation of small currents. Its gain factor (transresistance) is extremely stable and enables uncertainties of less than one part in 107. Furthermore, the noise level of the ULCA of 2.4 fA/√Hz is very low considering the achieved stability. However, at very low currents it limits the uncertainties achievable in practice.
Within the scope of this work, the ULCA was further developed and optimized regarding noise. For this purpose, a model for noise and input bias current was developed. This model was used to develop a noise-optimized ULCA variant that achieves an improved noise level without degradation in stability. The unchanged high stability was proven by extensive measurements. The noise-optimized ULCA therefore allows one to reduce the long measurement times in the characterization of single electron pumps for a given uncertainty by up to a factor of two.
For very small currents of below about 1 pA an ULCA variant with minimal noise was developed. It achieves a noise level of 0.4 fA/√Hz and allows uncertainties down to one part in 105. In addition, the input bias current of this variant is below 100 aA and is very stable as a function of time and temperature. As a result, the polarity reversal of the measuring current typically used for precision measurements to suppress offset effect is not required in many cases. With this ULCA variant, the current noise of cables was investigated, and a low-noise cabling for cryogenic measurement setups of single electron pumps was found.
The results of this work provided valuable contributions to the precision measurement of small direct currents. The wiring developed as well as the noise-optimized ULCA variant are already used for the characterization of single electron pumps. The noise-optimized ULCA is now commercially available and it is to be expected that this instrument will establish itself as a standard in small-current metrology.