title: Impedanzwandler für elektrische Transportmessungen mit kurzen Strompulsen bei tiefen Temperaturen
Creators: name: Kitzler, Tobias
Publisher: name: :none
Year: 2011

description: Zur Reduktion der benötigten Strompulslänge bei der Untersuchung hochohmiger Proben wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Impedanzwandler für den Einsatz im Kryostaten entworfen, gebaut, charakterisiert und getestet. Die Herausforderung dabei war, dass elektrische Bauteile nicht für den Einsatz im Tieftemperaturbereich konzipiert sind. Demzufolge mussten erst geeignete Bauteile gefunden werden, die im Temperaturbereich von 8~K bis Raumtemperatur funktionieren. Eine weitere Randbedingung war, dass im Kryostaten nur wenig Platz war, um die Schaltung für die vier benötigten Kanäle unterzubringen. Die durchgeführten Messungen umspannen das Testen von Operationsverstärkern auf ihre Stabilität im gesamten Temperaturbereich, die Untersuchung der Eigenschaften der verwendeten Komponenten und des fertigen Impedanzwandlers. Außerdem wurde an einer Probe eine Vergleichsmessung durchgeführt welche die Vorteile des Impedanz\-wandlers demonstriert hat. Um möglichst gute Ergebnisse zu erhalten wurden sowohl Varianten mit ohmschem als auch kapazitivem Spannungsteiler und unterschiedlichen Abschwächungsfaktoren gebaut und getestet. Aufgrund der niedrigen Ausgangsspannungen der Operationsverstärker war es notwendig ein Messprogramm zu schreiben, welches die Pulsspannung asymmetrisch regeln kann, um mit den möglichen Ausgangsspannungen für die Messung der Hall-Spannung auszukommen. Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend: Die Pulslänge konnte um einen Faktor 25 reduziert werden, die Einflüsse der Proben-Kontaktwiderstände konnten nicht mehr beobachtet werden und sogar die Ergebnisse der Hallmessung waren sehr zufriedenstellend. Bei der Vergleichsmessung hat sich zusätzlich herausgestellt, dass die Probe mit der ursprünglichen Messanordnung nicht mehr untersuchbar war, da der Spannungsabfall über die Kontaktwiderstände die Ergebnisse der Hall-Spannung zu stark verfälschte.
description: In order to reduce the required length of current pulses when measuring highly resistive samples, an impedance converter for use in a cryostat has been designed, built, characterized and tested in the course of this work. The challenge in this matter was that electric parts are not made for cryogenic temperatures. As a consequence, parts that work in the temperature range from 8 K to room temperature had to be found first. Another problem was that there was very little space left in the cryostat where one could place the circuits for the four channels needed. The measurements include testing of operational amplifiers for their stability at cryogenic temperatures as well as measuring the properties of the parts and the voltage follower. For demonstration purposes a comparison measurement on a sample has been performed to demonstrate the advantages of using the impedance converter. For getting better results, several versions with either ohmic or capacitive voltage dividers and different attenuation factors have been built and evaluated. The low output voltage of the operational amplifiers gave rise to the need of a measurement program that could control the voltage pulses in an asymmetrical way, so that the available output voltage range was sufficient for measuring the Hall-voltage. The results are very promising: The needed pulse length could be reduced by a factor of 25, the influences of the sample's contact resistances couldn't be observed any more and even the results of the measurement of the Hall-voltage were very satisfying.