JP3779612B2

JP3779612B2 - Electrical measuring device

Info

Publication number: JP3779612B2
Application number: JP2001393465A
Authority: JP
Inventors: 良信樽谷; 喜康石丸; 裕紀若菜; 圭一田辺
Original assignee: International Superconductivity Technology Center; Fujitsu Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: International Superconductivity Technology Center; Fujitsu Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003194867A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広く一般に電気計測の分野に関わり、外界からの雑音によって特性が影響を受けやすい超電導素子や超電導回路等の被測定試料に対して、雑音の影響を排除して、試料の電気特性を正確に計測するための電気測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気回路素子の基本特性、すなわち電流−電圧特性を測定するための構成を図２に示した。電気回路素子としての試料２４に対して直列に抵抗２１を接続し、この抵抗と付加的に直列に設けた抵抗２２を介して電源２３から試料２４に電流を流入させる。この抵抗２１の両端に接続した第１の電圧プローブ２５から試料２４に流れる電流を計測し、試料２４の両端に接続した第２の電圧プローブ２６から試料２４で発生する電圧を計測する。
【０００３】
通常、これらの電圧プローブには増幅器が用いられる。アナログ測定の場合は、増幅された電圧信号をオシロスコープ等で表示する。デジタル測定の場合は、増幅された電圧信号をアナログーデジタル変換器に通してデジタルデータに変換し、計算機に取り込んでデータ処理を施した上で、試料２４の電流−電圧特性等を得る。
【０００４】
試料２４が超電導回路素子あるいは超電導回路の場合の測定も同様であり、超電導回路素子あるいは超電導回路の出力端子に接続した電圧プローブによって出力信号電圧を計測する。通常、超電導回路素子あるいは超電導回路の場合の測定でも電圧プローブには増幅器が用いられる。アナログ測定の場合は、増幅された電圧信号をオシロスコープ等で表示する。デジタル測定の場合は、増幅された電圧信号をアナログーデジタル変換器にとおしてデジタルデータに変換し、計算機に取り込んでデータ処理を施した上で、回路素子あるいは回路の動作特性等を得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超電導回路素子あるいは超電導回路等の計測方法でデジタルデータを得ようとする場合、以下に述べる問題を有し、超電導回路素子あるいは超電導回路等の本来の特性を得ることが困難であった。例えば、図２に示される構成で、試料２４を複数の超電導接合を直列に接続したものとして、この試料２４のデジタルデータを採取した場合、本来の電流−電圧特性とならない。
【０００６】
このような電流−電圧特性の例を図３（Ａ）に示した。このデータの得られた試料２４をアナログ測定により増幅された電圧信号をオシロスコープで表示した例を図３（Ｂ）に示した。図３（Ｂ）のデータの横軸、縦軸の範囲は図３（Ａ）のそれよりは小さいが、対応する範囲で両者を対比して明らかなように、図３（Ａ）では零電圧電流が低下し、戻り電流が増大していて、本来の臨界電流分布より分布幅が増大していることがわかる。すなわち、図３（Ａ）では低電圧側での電流ステップが低めになっている。また個別の超電導接合の電流−電圧特性に対応したヒステリシス、すなわち電圧を上昇するときの電流値と減少するときの電流値に差が生じる現象がほとんど表れていない。
【０００７】
この理由はアナログ測定器と比較してデジタルデータ処理系の雑音レベルが高く、この雑音が電圧検出プローブを介して試料に加わるためである。超電導素子の超電導電流はレベルが非常に低いので、雑音に敏感であり、零電圧電流は低下し、戻り電流は増大する。とくに素子の臨界電流が低いほど超電導電流の変化が顕著になる。
【０００８】
デジタルデータ処理系の雑音は回路駆動クロック信号周波数等高い周波数で顕著になる。一方、超電導素子特性等の計測はこれより十分低い周波数で実行される。したがって、電圧検出プローブとアナログーデジタル変換器の間にローパスフィルタを挿入すれば、デジタルデータ処理系から電圧検出プローブを介して試料に戻る雑音は低減できるが、雑音の低周波成分の影響は残る。
【０００９】
超電導回路の場合もデジタル測定を実施した場合、雑音の影響によって、本来動作可能な回路が動作不能になったり、動作可能であっても、動作可能な回路パラメータ領域が低下する等の問題を生じる。この理由はデジタルデータ処理系の雑音が回路に混入されることによって、回路を構成する超電導接合の実効的な超電導電流が変化するからである。このために動作可能なバイアス領域が狭められる。場合によっては雑音によって回路の特定のループに磁束がトラップされる。このために、超電導回路は本来の動作を実行できなくなる場合が起こり得る。
【００１０】
一方、測定データをデジタルデータに変換して取り込むことは、データの保存、処理、集計等の点でアナログデータと比較してきわめて有効であり、かつ欠くべからざる処理であるため、超電導素子あるいは超電導回路に対しても、測定データをデジタルデータに変換して取り込めるようにすることが強く望まれる。
【００１１】
そこで本発明の目的は、超電導素子や超電導回路のように雑音に敏感で、かつ雑音によって本来の特性が損なわれる試料に対して、雑音の影響を十分に排除して試料本来の特性を測定し得る電気測定装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明においては被測定試料に直接電圧プローブを接続することを避けて、被測定試料に１個の抵抗を直列に接続するとともに、この直列に接続された被測定試料と抵抗よりなる回路に１個の抵抗を並列に接続し、この直並列回路に２個以上の抵抗を直列に接続して、被測定試料に必要な電流を供給するものとした。そして、被測定試料の電流信号を前記直並列回路の抵抗の１つの両端に表れる電圧から得るものとし、被測定試料の電圧信号を前記２個以上の直列抵抗の１つの両端に表れる電圧から得るものとした。
【００１３】
さらに、前記直並列回路の２つの抵抗の抵抗値の大きさについてみると、両端から電圧が検出される抵抗の抵抗値の方が、他の抵抗のそれより小さいものとした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の基本的な構成概念を説明する回路図である。被測定試料２４は計測端子１７,１８の間に接続される。被測定試料２４には抵抗１１が直列に接続されるとともに、被測定試料２４と抵抗１１の直列回路に抵抗１２が接続される。抵抗１１には電圧プローブ２６が接続される。被測定試料２４と抵抗１１の直列回路に抵抗１２が接続された直並列回路に抵抗１３，１４の直列回路を介して電源２３が接続される。抵抗１３には電圧プローブ２５が接続される。ここで、抵抗１１および抵抗１２の抵抗値をＲ１１，Ｒ１２とすると、Ｒ１１＜Ｒ１２である。さらに、抵抗１１の抵抗値Ｒ１１は被測定試料２４が抵抗を持つ場合にはこの抵抗値より小さいものとするのが良い。
【００１５】
図１に示す構成の回路によれば、電圧プローブ２６から試料２４に対してノイズが流入しようとしても、そのノイズは、まず、抵抗１１により減衰させられる。さらに、抵抗１１の両端に現れるノイズ電圧は試料２４と抵抗１２とに分流する形で試料２４に影響を与えることとなるから、試料２４への影響は低減される。電圧プローブ２５から試料２４に対して及ぼされるノイズについて見ると、抵抗１３の両端に現れるノイズ電圧は試料２４と抵抗１２とに分流する形で試料２４に影響を与えることとなるから、試料２４への影響は、やはり、低減される。勿論、計測感度は必要であるので、抵抗１１の抵抗値Ｒ１１は小さければ良いと言うものでないことは言うまでもない。これらの抵抗値は、試料２４の特性あるいは電圧プローブの特性に対応しやすいように可変抵抗とされるのが良い。
【００１６】
本発明による計測の対象の被測定試料は超電導接合自体、複数個の超電導接合が接続された試料、あるいは超電導回路を含むものであることは勿論、半導体装置のように動作電流が小さいものも対象として有効である。超電導回路を被測定試料とする場合、この超電導回路は磁束量子を信号の単位とする超電導回路とするものに対しても有効である。
【００１７】
超電導素子あるいは回路の特性を計測する場合、該被測定試料を液体窒素温度、すなわち７７Ｋ以下の低温環境に置くことは当然であるが、上記抵抗１１−１４も低温環境に置くことが望ましい。また、電圧等を検出するプローブは電圧増幅回路とし、電圧等を検出するプローブに加えて、アナログ信号をデジタル信号に変換する回路、および検出した信号から被測定試料の電気特性を導く機能を有することとする。
【００１８】
（実施例１）
超電導素子の基本特性を測定する試料の例として、超電導素子を図６に示すように、超電導接合を１００個余り直列に接続した構成とした。図６（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置での断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の一部の拡大図、（Ｄ）は等価回路図である。超電導接合はイットリウム・バリウム銅酸化物薄膜を上部電極７５および下部電極７２とするランプエッジ型で、接合の障壁層７４はスロープを形成した下部電極膜の端部表面に、イオンビームを照射することによって形成した表面損傷層とした。基板７６および電極間の層間絶縁膜７３にはそれぞれランタン・ストロンチウム・アルミニウム・タンタル酸化物の単結晶および薄膜を用いた。超電導接合の幅は５ミクロンとした。等価回路図において７１で示すのが超電導接合である。
【００１９】
図４は実施例１の電気測定装置の全体構成を示す図である。図１と同じ参照符号を付したものは同一物または等価なものである。試料２４は、図６で説明したように、複数の超電導接合７１が直列接続されたものであり、接続端子１７，１８間に接続される。この実施例では、電圧プローブ２５および２６が電圧増幅器３１１，ローパスフイルタ３１２および電圧増幅器３１２，ローパスフイルタ３２２がカスケードに設けられたものとした。各ローパスフイルタ３２１および３２２の出力はＡ／Ｄ変換器とバッファメモリよりなるディジタル化回路３３に導入されて計算機３４により必要な計算が行われる。
【００２０】
図１を参照しながら説明したように、試料２４に直列に第１の抵抗１１が接続され、試料２４と抵抗１１の直列回路に並列に第２の抵抗１２が接続された回路となっている。さらに、この直並列回路に直列に第３の抵抗１３が接続されている。ここで、第１抵抗１１の抵抗値Ｒ１１と第２の抵抗１２の抵抗値Ｒ１２とはＲ１２がＲ１１の２倍となるようにした。また、抵抗値Ｒ１１は超電導接合７１が常伝導状態になったときの抵抗値の１／５程度とした。
【００２１】
試料２４に直列に接続された第１の抵抗１１および第３の抵抗１３の両端に、それぞれ、電圧プローブ３１２および３１１を接続した。各電圧プローブは電圧増幅器とし、ローパスフィルタ３２２および３２１を介してディジタル化回路３３のアナログ・デジタル変換器に検出信号を入力した。電圧プローブ３１２からの電源電流の取り込みは０．２Ｈｚとし、デジタルデータの取り込み時間は５秒とした。電圧プローブ３１１からのデジタルデータの取り込みも同じタイミングとした。それぞれの電圧プローブから取り込んだデジタルデータは５００００点とした。取り込んだデジタルデータはバッファメモリに一時的に蓄え、計算機３４に転送し、収集した。
【００２２】
計算機３４に収集したデジタル信号から、試料２４に繋がる抵抗１１，１２，および１３の抵抗値、超電導接合７１に繋がる配線の接続抵抗等を用いて、試料２４の電流−電圧特性を計算した。計算によって得られた電流−電圧特性を図５に示した。
【００２３】
図５と図３（Ｂ）とを対比して明らかなように、本実施例では、アナログオシロスコープによって測定した電流−電圧特性と一致し、超電導素子を構成する各超電導接合７１の臨界電流が不連続な電流ステップとして観測された。すなわち各電流ステップの頂点が個別の超電導接合の臨界電流を与えるとともに、ヒステリシス特性が十分に反映されたものとなっていることが分かる。したがって、電流ステップの最大値を個別の超電導接合の臨界電流値として、デジタルデータで定量的に読み取ることができる。
【００２４】
一般に、デジタル装置ではアナログ装置と比較して雑音レベルが高く、雑音によって本来の特性が損なわれる試料には、直接接続して計測することが困難である。超電導接合の超電導電流は外部雑音に敏感であり、見かけ上の臨界電流が低下してしまう。しかしながら本発明に係わる電気測定装置によって、超電導素子の本来の電流−電圧特性が得られたのは以下の理由によるものである。
【００２５】
第１に試料２４に直接電圧プローブ２５，２６を接続しないことである。このために、デジタル回路装置から電圧プローブを介して超電導素子に流入する雑音を回避することができる。しかしながら、試料２４に対して直列に接続した抵抗１１に電圧プローブ２６を接続した場合でも、デジタル回路装置３３からの雑音は試料２４にも一部流入する。
【００２６】
これに対して、第２に試料２４と直列に接続した抵抗１１の抵抗値Ｒ１１を超電導接合７１が常伝導状態になったときの抵抗値より十分小さくしたことである。このために、電圧プローブ２６の両端での抵抗１１は、超電導接合７１と抵抗１２の直列回路の抵抗より小さくなる。雑音の低周波成分は抵抗値に反比例して分配されるから、電圧プローブ２６に挟まれた抵抗１１に流れる雑音成分に対して、試料２４に流れる雑音割合は相対的に十分小さくなる。
【００２７】
このことを、もう少し具体的に見ると以下のようである。図４における抵抗１１、抵抗１２、抵抗１３、抵抗１４および試料２４の抵抗値をそれぞれＲ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４およびＲＪＪ（Ｖ）とし、抵抗１１の両端に表れる電圧を読み取る電圧増幅器３１２から流入する雑音電流をｄＩ１、抵抗１３の両端に表れる電圧を読み取る電圧増幅器３１１から流入する雑音電流をｄＩ２とする。ここで、超電導接合７１の抵抗値は電圧に依存するので、試料２４の抵抗値はＲＪＪ（Ｖ）と表記した。
【００２８】
電圧増幅器３１２から流入する雑音電流によって試料２４に流れる量ｄＩ１ＪＪは
ｄＩ１ＪＪ＝ｄＩ１×Ｒ１１／｛Ｒ１１＋Ｒ１２＋ＲＪＪ（Ｖ）｝
となる。ここでは、抵抗１３、抵抗１４および電源２３を経由して流入する電流は無視した。すなわち、本実施例では、電圧増幅器３１２から流入する雑音電流がＲ１１／｛Ｒ１１＋Ｒ１２＋ＲＪＪ（Ｖ）｝の割合で低減されて試料２４に流れる。
【００２９】
また、電圧増幅器３１１から流入する雑音電流によって試料２４に流れる量ｄＩ２ＪＪは、Ｒ１３がＲ１２より十分小さければ、
ｄＩ２ＪＪ＝ｄＩ２×Ｒ１３／｛Ｒ１１＋Ｒ１３＋ＲＪＪ（Ｖ）｝
となる。ここでも、抵抗１４および電源２３を経由して流入する電流は無視した。すなわち、本実施例では、電圧増幅器３１１から流入する雑音電流がＲ１３／｛Ｒ１１＋Ｒ１３＋ＲＪＪ（Ｖ）｝の割合で低減できる。
【００３０】
（実施例２）
図７は本発明の電気測定回路を用いて超電導量子干渉素子の特性を測定した実施例を示す。図１、図４と同じ参照符号を付したものは同一物または等価な機能を果たすものである。本実施例では、試料２４は超電導量子干渉素子８０である。超電導量子干渉素子８０は２個の超電導接合８１が２個のインダクタ８２を介して並列に接続されて閉ループを構成する。インダクタ８２には電流注入線８５が結合しており、電流注入線８５から、制御電流がループに注入される。２個のインダクタ８２の接続点８６にバイアス電流源８３が接続されている。超電導量子干渉素子８０の特性を評価するために、電圧出力端となる接続点８６と接地端８７を電気測定装置の計測端子１７,１８の間に接続した。本実施例では、超電導磁束干渉素子８０だけでなく、２点鎖線１００で囲って示す領域にある電気測定装置の抵抗１１，１２，１３も低温用器内に入れ、液体ヘリウム温度、すなわち４．２Ｋに冷却した。超電導接合８１の臨界電流は１マイクロアンペア程度とした。
【００３１】
超電導磁束干渉素子８０に対して一定のバイアス電流をバイアス電流源８３から供給し、電流注入線８５から、ループに注入される制御電流に対して電圧端子８６から発生する電圧変化が素子としての特性である。測定結果を図９に示す。図８の実線で示す出力電圧−制御電流特性９１が本発明による計測装置の測定結果である。図８には、比較のために、超電導磁束干渉素子８０に直接電圧プローブを接続して計測した結果を破線９２で示した。両者を比較して分かるように、実線９１で示す出力電圧−制御電流特性が、破線９２のそれより高い電圧振幅を示した。
【００３２】
本実施例でも、実施例１と同様に、電圧プローブからの雑音の影響を受けにくい構成となっているから、電圧プローブからの雑音の影響を回避することができる。
【００３３】
（実施例３）
図１、図４に示される構成を基礎に多数の被測定試料を一度に計測する実施例を図９に示す。図１、図４と同じ参照符号を付したものは同一物または等価な機能を果たすものである。ここでは、試料２４は、図６で説明したような超電導接合７１を１００個余り直列に接続したものを９個並列に接続したものである。また、これら超電導接合列は一端を共通電極とした。なお、図では、９個並列を表示できないので、３個で代表させて示した。
【００３４】
各試料２４の超電導接合列の基本特性を同時に測定し、複数個のアナログーデジタル変換器からデジタルデータとして採取し、計算機３４に取り込んだ。これらのデジタルデータから得られた電流−電圧特性は入力雑音レベルの十分低いオシロスコープで測定した電流−電圧特性と一致することがわかった。
【００３５】
（実施例４）
本実施例は、磁束量子回路の出力電圧特性を測定する例である。本実施例により特性が評価される磁束量子回路と、この回路の測定を行う測定装置を図１０に示した。１１０，１１１および１１２よりなる回路は測定対象となる磁束量子回路である。１１０は信号源３０の信号を磁束量子へ変換する変換器、１１１は変換器１１０から加えられた磁束量子信号が伝播するとともに、入力信号を２回に１回出力側に通し、周波数を１／２に低減するトグルフリップフロップよりなる伝送回路、１１２は伝送回路１１１から加えられた磁束量子信号を電圧信号へ変換する変換回路よりなる出力回路１１２である。これらの回路は、１１３で代表して示す超電導接合、１１４で代表して示すインダクタおよび１１５で代表して示す定電流バイアス源を主要な構成要素とする。
【００３６】
図１０の回路１１０−１１２からなる磁束量子回路は、信号源３０の信号を一旦磁束量子信号へ変換した後、この磁束量子信号を再び電圧信号として出力する回路である。これらの回路におけるは超電導接合はニオブを電極として作製した。
【００３７】
図１０に示す回路の電圧出力端となる接続点１１７と接地点とに本発明にかかわる計測装置の計測端子１７,１８を接続した。抵抗および電圧プローブの構成は図１に示すそれと同じであるが、この例では、電源２３に代えて超電導接合に対する定電流源１２０を接続した。抵抗１１の値は磁束量子回路の出力端抵抗の数分の１の値とした。
【００３８】
磁束量子回路の出力を本発明に係る電気測定回路に接続して、電圧プローブからの信号をアナログーデジタル変換器でデジタル化し、計算機に入力して回路の直流バイアス電流に対する安定なバイアス範囲を測定した。この結果によれば、最適なバイアス電流に対するコンフルエンス・バッファとしての動作可能なバイアス電流範囲はプラス・マイナス２５％であった。この値は磁束量子回路の出力端子に直接電圧プローブを接続した場合の、動作可能なバイアス電流範囲であるプラス・マイナス１８％に比較して、十分広い値であった。
【００３９】
（実施例５）
図１１に本実施例の構成を示す。図１と対比して容易に分かるように、本実施例は電圧プローブ２６の接続位置を試料に直列の抵抗から、この直列回路に並列の抵抗に電圧プローブ２６を接続した。ここで、抵抗１１および１２の参照符号を取り替えて付してあるように、電圧プローブ２６が接続される抵抗１１は、抵抗１２より小さいものとされる。
【００４０】
（その他）
以上述べたごとく超電導素子、超電導回路のみに有効であるのみでなく、本発明に係る電気測定回路は単一電子素子等微小電流で動作する素子に対しても広く一般に適用できる。
【００４１】
【発明の効果】
測定装置からの雑音が被測定試料に流入するのを防止でき、被測定試料本来のデータを得ることができる。したがって、被測定試料の測定値をデジタルデータとして取り込む場合でも、試料本来のデータを得ることができ、測定データの処理、任意の表示を容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な構成概念を説明する回路図。
【図２】従来用いられている電気測定回路の構成図。
【図３】（Ａ）は従来用いられている電気測定回路を用いて超電導接合列の電流−電圧特性をデジタル測定した結果を示し、（Ｂ）は同じ試料でアナログ測定により増幅された電圧信号をオシロスコープで表示した例を示す図。
【図４】実施例１に係る超電導接合列をデジタル計測する電気測定回路の全体構成を示す図。
【図５】図４の構成で収集したデジタル信号から導出した超電導接合列の電流−電圧特性測定結果を示す図。
【図６】（Ａ）は基本特性を測定する試料の例としての超電導素子の平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置での断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の一部の拡大図、（Ｄ）は等価回路図。
【図７】本発明の電気測定回路を用いて超電導量子干渉素子の特性を測定した実施例の全体構成を示す図。
【図８】図７に示した計測装置の測定結果と従来装置の測定結果とを対比して示す図。
【図９】多数の被測定試料を一度に計測する実施例を示す図。
【図１０】磁束量子回路の出力電圧特性を測定する実施例例の全体構成を示す図。
【図１１】図１に示す基本的な構成概念の変形例を説明する回路図。
【符号の説明】
１１，１２，１３，１４：抵抗、１７，１８：端子、２３：電源、２４：試料、２５，２６：電圧プローブ、３０：信号源、３１１，３１２：電圧増幅器、３２１，３２２：ローパスフイルタ、３３：デジタル化回路、３４：計算機、７１：超電導接合、７２：下部電極、７３：層間絶縁膜、７４：障壁層、７５：上部電極、７６：基板、８０：超電導磁束量子干渉素子、８１：超電導接合、８２：インダクタ、８３：バイアス電流源、８５：電流注入線、８６：電圧端子、８７：接地点、９１：本発明に係る電気測定回路による超電導磁束量子干渉素子の出力電圧−注入電流特性、９２：従来方式の電気測定回路による超電導磁束量子干渉素子の出力電圧−注入電流特性、１００：低温用器、１１０：電圧信号から磁束量子への変換器、１１１：トグルフリップフロップを含む伝送回路、１１２：磁束量子から電圧信号への変換回路よりなる出力回路、１１３：超電導接合、１１４：インダクタ、１１５：定電流バイアス源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to the field of electrical measurement, and eliminates the influence of noise on a sample to be measured such as a superconducting element or a superconducting circuit whose characteristics are easily affected by noise from the outside world. The present invention relates to an electrical measuring device for accurately measuring the current.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 shows a configuration for measuring the basic characteristics of a conventional electric circuit element, that is, current-voltage characteristics. A resistor 21 is connected in series to the sample 24 as an electric circuit element, and a current is caused to flow from the power source 23 to the sample 24 via a resistor 22 additionally provided in series with the resistor. The current flowing from the first voltage probe 25 connected to both ends of the resistor 21 to the sample 24 is measured, and the voltage generated in the sample 24 from the second voltage probe 26 connected to both ends of the sample 24 is measured.
[0003]
Usually, amplifiers are used for these voltage probes. In the case of analog measurement, the amplified voltage signal is displayed on an oscilloscope or the like. In the case of digital measurement, the amplified voltage signal is converted into digital data through an analog-to-digital converter, taken into a computer, subjected to data processing, and the current-voltage characteristics of the sample 24 are obtained.
[0004]
The measurement is the same when the sample 24 is a superconducting circuit element or a superconducting circuit, and the output signal voltage is measured by a voltage probe connected to the output terminal of the superconducting circuit element or superconducting circuit. Usually, an amplifier is used as a voltage probe for measurement in the case of a superconducting circuit element or a superconducting circuit. In the case of analog measurement, the amplified voltage signal is displayed on an oscilloscope or the like. In the case of digital measurement, the amplified voltage signal is converted into digital data through an analog-to-digital converter, taken into a computer and subjected to data processing, and circuit element or circuit operating characteristics are obtained.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When trying to obtain digital data by a conventional measuring method such as a superconducting circuit element or a superconducting circuit, it has the following problems and it is difficult to obtain the original characteristics of the superconducting circuit element or the superconducting circuit. For example, in the configuration shown in FIG. 2, when the sample 24 is obtained by connecting a plurality of superconducting junctions in series and digital data of the sample 24 is collected, the original current-voltage characteristics are not obtained.
[0006]
An example of such current-voltage characteristics is shown in FIG. FIG. 3B shows an example in which a voltage signal obtained by analog measurement of the sample 24 from which this data is obtained is displayed on an oscilloscope. The range of the horizontal axis and the vertical axis of the data in FIG. 3B is smaller than that in FIG. 3A, but as shown in FIG. It can be seen that the current decreases, the return current increases, and the distribution width increases from the original critical current distribution. That is, in FIG. 3A, the current step on the low voltage side is lower. In addition, hysteresis corresponding to the current-voltage characteristics of individual superconducting junctions, that is, a phenomenon in which there is almost no difference between the current value when the voltage is increased and the current value when the voltage is decreased, does not appear.
[0007]
This is because the noise level of the digital data processing system is higher than that of the analog measuring instrument, and this noise is applied to the sample via the voltage detection probe. Since the superconducting current of the superconducting element is very low, it is sensitive to noise, the zero voltage current decreases and the return current increases. In particular, the lower the critical current of the device, the more significant the change in the superconducting current.
[0008]
Noise in the digital data processing system becomes noticeable at high frequencies such as the circuit drive clock signal frequency. On the other hand, the measurement of the superconducting element characteristics and the like is performed at a frequency sufficiently lower than this. Therefore, if a low-pass filter is inserted between the voltage detection probe and the analog-digital converter, noise returning from the digital data processing system to the sample via the voltage detection probe can be reduced, but the influence of the low frequency component of the noise remains. .
[0009]
Even in the case of a superconducting circuit, when digital measurement is performed, problems such as the inability to operate an originally operable circuit or a decrease in the operable circuit parameter area due to the influence of noise occur. . This is because the effective superconducting current of the superconducting junction constituting the circuit changes due to the noise of the digital data processing system being mixed into the circuit. For this reason, the operable bias region is narrowed. In some cases, noise traps magnetic flux in specific loops of the circuit. For this reason, the superconducting circuit may fail to perform its original operation.
[0010]
On the other hand, converting measured data into digital data is extremely effective compared to analog data in terms of data storage, processing, aggregation, etc., and is an indispensable process. It is highly desirable for circuits to convert measurement data into digital data so that it can be captured.
[0011]
Accordingly, the object of the present invention is to measure the original characteristics of a sample by sufficiently eliminating the influence of noise on a sample that is sensitive to noise and whose original characteristics are damaged by noise, such as a superconducting element or a superconducting circuit. It is to provide an electrical measuring device to obtain.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, avoiding connecting a voltage probe directly to the sample to be measured, one resistor is connected in series to the sample to be measured, and one circuit is connected to the sample to be measured and the resistor connected in series. Two resistors were connected in parallel, and two or more resistors were connected in series to this series-parallel circuit to supply the necessary current to the sample to be measured. Then, the current signal of the sample to be measured is obtained from the voltage appearing at one end of the resistor of the series-parallel circuit, and the voltage signal of the sample to be measured is obtained from the voltage appearing at one end of the two or more series resistors. It was supposed to be.
[0013]
Further, regarding the magnitudes of the resistance values of the two resistors of the series-parallel circuit, the resistance value of the resistor whose voltage is detected from both ends is assumed to be smaller than that of the other resistors.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating the basic configuration concept of the present invention. The sample 24 to be measured is connected between the measurement terminals 17 and 18. A resistor 11 is connected in series to the sample 24 to be measured, and a resistor 12 is connected to a series circuit of the sample 24 to be measured and the resistor 11. A voltage probe 26 is connected to the resistor 11. A power source 23 is connected to a series-parallel circuit in which a resistor 12 is connected to a series circuit of a sample 24 to be measured and a resistor 11 via a series circuit of resistors 13 and 14. A voltage probe 25 is connected to the resistor 13. Here, when the resistance values of the resistor 11 and the resistor 12 are R11 and R12, R11 <R12. Furthermore, the resistance value R11 of the resistor 11 is preferably smaller than this resistance value when the sample 24 to be measured has a resistance.
[0015]
According to the circuit having the configuration shown in FIG. 1, even if noise tries to flow into the sample 24 from the voltage probe 26, the noise is first attenuated by the resistor 11. Furthermore, since the noise voltage appearing at both ends of the resistor 11 affects the sample 24 in a form of being shunted to the sample 24 and the resistor 12, the influence on the sample 24 is reduced. Looking at the noise applied to the sample 24 from the voltage probe 25, the noise voltage appearing at both ends of the resistor 13 affects the sample 24 in a form of being shunted between the sample 24 and the resistor 12. The effect of is still reduced. Of course, since measurement sensitivity is required, it goes without saying that the resistance value R11 of the resistor 11 is not necessarily small. These resistance values are preferably variable resistors so as to easily correspond to the characteristics of the sample 24 or the characteristics of the voltage probe.
[0016]
The sample to be measured according to the present invention is effective for a superconducting junction itself, a sample to which a plurality of superconducting junctions are connected, or a superconducting circuit, as well as a semiconductor device having a small operating current. It is. When a superconducting circuit is used as a sample to be measured, this superconducting circuit is also effective for a superconducting circuit having magnetic flux quanta as a signal unit.
[0017]
When measuring the characteristics of a superconducting element or circuit, the sample to be measured is naturally placed in a liquid nitrogen temperature, that is, in a low temperature environment of 77 K or less, but the resistor 11-14 is also preferably placed in a low temperature environment. The probe for detecting voltage and the like is a voltage amplification circuit, and in addition to the probe for detecting voltage and the like, it has a circuit for converting an analog signal into a digital signal and a function for deriving the electrical characteristics of the sample to be measured from the detected signal. I will do it.
[0018]
Example 1
As an example of a sample for measuring the basic characteristics of the superconducting element, as shown in FIG. 6, a superconducting element was connected in series with about 100 superconducting junctions. 6A is a plan view, FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 6A, FIG. 6C is an enlarged view of a part of FIG. 6D, and FIG. The superconducting junction is a lamp edge type in which the yttrium barium copper oxide thin film is the upper electrode 75 and the lower electrode 72, and the barrier layer 74 of the junction irradiates the end surface of the lower electrode film on which the slope is formed with an ion beam. The surface damage layer formed by A single crystal and a thin film of lanthanum, strontium, aluminum, and tantalum oxide were used for the substrate 76 and the interlayer insulating film 73 between the electrodes, respectively. The width of the superconducting junction was 5 microns. In the equivalent circuit diagram, reference numeral 71 denotes a superconducting junction.
[0019]
FIG. 4 is a diagram illustrating an overall configuration of the electricity measuring apparatus according to the first embodiment. Those given the same reference numerals as in FIG. 1 are the same or equivalent. As described with reference to FIG. 6, the sample 24 includes a plurality of superconducting junctions 71 connected in series, and is connected between the connection terminals 17 and 18. In this embodiment, the voltage probes 25 and 26 are provided with a voltage amplifier 311, a low-pass filter 312, a voltage amplifier 312 and a low-pass filter 322 in a cascade. The outputs of the low-pass filters 321 and 322 are introduced into a digitizing circuit 33 comprising an A / D converter and a buffer memory, and necessary calculations are performed by a computer 34.
[0020]
As described with reference to FIG. 1, the first resistor 11 is connected in series to the sample 24, and the second resistor 12 is connected in parallel to the series circuit of the sample 24 and the resistor 11. . Further, a third resistor 13 is connected in series with this series-parallel circuit. Here, the resistance value R11 of the first resistor 11 and the resistance value R12 of the second resistor 12 are set such that R12 is twice R11. Further, the resistance value R11 is set to about 1/5 of the resistance value when the superconducting junction 71 is in a normal conduction state.
[0021]
Voltage probes 312 and 311 were connected to both ends of the first resistor 11 and the third resistor 13 connected in series to the sample 24, respectively. Each voltage probe is a voltage amplifier, and a detection signal is input to the analog / digital converter of the digitizing circuit 33 through low-pass filters 322 and 321. The supply of power source current from the voltage probe 312 was 0.2 Hz, and the acquisition time of digital data was 5 seconds. Acquisition of digital data from the voltage probe 311 was also performed at the same timing. The number of digital data acquired from each voltage probe was 50,000. The acquired digital data was temporarily stored in the buffer memory, transferred to the computer 34, and collected.
[0022]
The current-voltage characteristics of the sample 24 were calculated from the digital signals collected by the computer 34 using the resistance values of the resistors 11, 12, and 13 connected to the sample 24, the connection resistance of the wiring connected to the superconducting junction 71, and the like. The current-voltage characteristics obtained by the calculation are shown in FIG.
[0023]
As is clear by comparing FIG. 5 and FIG. 3 (B), in this embodiment, the critical current of each superconducting junction 71 constituting the superconducting element is inconsistent with the current-voltage characteristic measured by an analog oscilloscope. Observed as a continuous current step. That is, it can be seen that the apex of each current step gives the critical current of the individual superconducting junction and the hysteresis characteristics are sufficiently reflected. Therefore, the maximum value of the current step can be quantitatively read with digital data as the critical current value of the individual superconducting junction.
[0024]
Generally, a digital device has a higher noise level than an analog device, and it is difficult to directly connect and measure a sample whose original characteristics are impaired by noise. The superconducting current in the superconducting junction is sensitive to external noise, which reduces the apparent critical current. However, the original current-voltage characteristic of the superconducting element was obtained by the electrical measuring apparatus according to the present invention for the following reason.
[0025]
First, the voltage probes 25 and 26 are not directly connected to the sample 24. For this reason, noise flowing into the superconducting element from the digital circuit device via the voltage probe can be avoided. However, even when the voltage probe 26 is connected to the resistor 11 connected in series to the sample 24, noise from the digital circuit device 33 partially flows into the sample 24.
[0026]
On the other hand, secondly, the resistance value R11 of the resistor 11 connected in series with the sample 24 is made sufficiently smaller than the resistance value when the superconducting junction 71 is in a normal conduction state. For this reason, the resistance 11 at both ends of the voltage probe 26 is smaller than the resistance of the series circuit of the superconducting junction 71 and the resistor 12. Since the low frequency component of the noise is distributed in inverse proportion to the resistance value, the ratio of the noise flowing through the sample 24 is relatively small with respect to the noise component flowing through the resistor 11 sandwiched between the voltage probes 26.
[0027]
This can be seen in more detail as follows. The resistance values of the resistor 11, resistor 12, resistor 13, resistor 14 and sample 24 in FIG. 4 are R11, R12, R13, R14 and RJJ (V), respectively, and flows from the voltage amplifier 312 which reads the voltage appearing at both ends of the resistor 11. Let dI1 be the noise current to be generated, and let dI2 be the noise current flowing from the voltage amplifier 311 that reads the voltage appearing across the resistor 13. Here, since the resistance value of the superconducting junction 71 depends on the voltage, the resistance value of the sample 24 is expressed as RJJ (V).
[0028]
The amount dI1JJ flowing to the sample 24 due to the noise current flowing from the voltage amplifier 312 is dI1JJ = dI1 × R11 / {R11 + R12 + RJJ (V)}
It becomes. Here, the current flowing through the resistor 13, the resistor 14 and the power source 23 is ignored. That is, in this embodiment, the noise current flowing from the voltage amplifier 312 is reduced at a ratio of R11 / {R11 + R12 + RJJ (V)} and flows to the sample 24.
[0029]
Also, if the amount dI2JJ flowing through the sample 24 due to the noise current flowing from the voltage amplifier 311 is sufficiently smaller than R12,
dI2JJ = dI2 × R13 / {R11 + R13 + RJJ (V)}
It becomes. Again, the current flowing through resistor 14 and power supply 23 was ignored. That is, in this embodiment, the noise current flowing from the voltage amplifier 311 can be reduced at a ratio of R13 / {R11 + R13 + RJJ (V)}.
[0030]
(Example 2)
FIG. 7 shows an embodiment in which the characteristics of a superconducting quantum interference device are measured using the electrical measurement circuit of the present invention. The same reference numerals as those in FIGS. 1 and 4 denote the same or equivalent functions. In this embodiment, the sample 24 is a superconducting quantum interference device 80. In the superconducting quantum interference device 80, two superconducting junctions 81 are connected in parallel via two inductors 82 to form a closed loop. A current injection line 85 is coupled to the inductor 82, and a control current is injected from the current injection line 85 into the loop. A bias current source 83 is connected to a connection point 86 of the two inductors 82. In order to evaluate the characteristics of the superconducting quantum interference device 80, a connection point 86 serving as a voltage output terminal and a ground terminal 87 were connected between the measurement terminals 17 and 18 of the electrical measuring device. In this embodiment, not only the superconducting magnetic flux interference element 80 but also the resistors 11, 12, and 13 of the electrical measuring device in the region surrounded by the two-dot chain line 100 are placed in the low-temperature vessel, and the liquid helium temperature, that is, 4. Cooled to 2K. The critical current of the superconducting junction 81 was about 1 microampere.
[0031]
A constant bias current is supplied from the bias current source 83 to the superconducting magnetic flux interference element 80, and the voltage change generated from the voltage terminal 86 with respect to the control current injected into the loop from the current injection line 85 is a characteristic of the element. It is. The measurement results are shown in FIG. An output voltage-control current characteristic 91 indicated by a solid line in FIG. 8 is a measurement result of the measuring apparatus according to the present invention. In FIG. 8, for comparison, the result of measurement by connecting a voltage probe directly to the superconducting magnetic flux interference element 80 is indicated by a broken line 92. As can be seen by comparing the two, the output voltage-control current characteristic indicated by the solid line 91 showed a voltage amplitude higher than that of the broken line 92.
[0032]
In the present embodiment, similarly to the first embodiment, since it is configured not to be affected by noise from the voltage probe, it is possible to avoid the influence of noise from the voltage probe.
[0033]
Example 3
FIG. 9 shows an embodiment in which a large number of samples to be measured are measured at a time based on the configuration shown in FIGS. The same reference numerals as those in FIGS. 1 and 4 denote the same or equivalent functions. Here, the sample 24 is a sample in which about 100 superconducting junctions 71 as described with reference to FIG. 6 are connected in series and 9 are connected in parallel. These superconducting junction rows have one end as a common electrode. In the figure, since 9 parallels cannot be displayed, 3 are shown as representatives.
[0034]
The basic characteristics of the superconducting junction array of each sample 24 were measured at the same time, collected as digital data from a plurality of analog-digital converters, and taken into the computer 34. It was found that the current-voltage characteristics obtained from these digital data coincided with the current-voltage characteristics measured with an oscilloscope having a sufficiently low input noise level.
[0035]
(Example 4)
This example is an example of measuring the output voltage characteristics of a magnetic flux quantum circuit. FIG. 10 shows a magnetic flux quantum circuit whose characteristics are evaluated according to this embodiment and a measuring apparatus for measuring this circuit. A circuit composed of 110, 111 and 112 is a magnetic flux quantum circuit to be measured. 110 is a converter that converts the signal from the signal source 30 into flux quanta, 111 is a magnetic flux quantum signal applied from the converter 110, and an input signal is passed to the output side once every two times. A transmission circuit 112 composed of a toggle flip-flop that is reduced to 2 is an output circuit 112 composed of a conversion circuit that converts a magnetic flux quantum signal applied from the transmission circuit 111 into a voltage signal. These circuits mainly include a superconducting junction represented by 113, an inductor represented by 114, and a constant current bias source represented by 115.
[0036]
The magnetic flux quantum circuit including the circuits 110 to 112 in FIG. 10 is a circuit that once converts the signal of the signal source 30 into a magnetic flux quantum signal, and then outputs the magnetic flux quantum signal again as a voltage signal. In these circuits, the superconducting junction was fabricated using niobium as an electrode.
[0037]
The measurement terminals 17 and 18 of the measurement apparatus according to the present invention were connected to a connection point 117 serving as a voltage output terminal of the circuit shown in FIG. 10 and a ground point. The configuration of the resistor and voltage probe is the same as that shown in FIG. 1, but in this example, a constant current source 120 for the superconducting junction is connected instead of the power source 23. The value of the resistor 11 was set to a fraction of the output terminal resistance of the magnetic flux quantum circuit.
[0038]
Connect the output of the flux quantum circuit to the electrical measurement circuit according to the present invention, digitize the signal from the voltage probe with an analog-to-digital converter, and input it to the computer to measure the stable bias range for the DC bias current of the circuit did. According to this result, the range of the bias current that can operate as a confluence buffer with respect to the optimum bias current is plus or minus 25%. This value was sufficiently wide compared to plus / minus 18%, which is the operable bias current range when a voltage probe is directly connected to the output terminal of the magnetic flux quantum circuit.
[0039]
(Example 5)
FIG. 11 shows the configuration of this embodiment. As can be easily seen in comparison with FIG. 1, in this embodiment, the connection position of the voltage probe 26 is connected from a resistor in series with the sample, and the voltage probe 26 is connected to a resistor in parallel with this series circuit. Here, the resistor 11 to which the voltage probe 26 is connected is assumed to be smaller than the resistor 12 as shown by replacing reference numerals of the resistors 11 and 12.
[0040]
(Other)
As described above, not only is it effective only for superconducting elements and superconducting circuits, but the electrical measuring circuit according to the present invention can be widely applied to elements operating with a small current such as single electronic elements.
[0041]
【The invention's effect】
Noise from the measuring apparatus can be prevented from flowing into the sample to be measured, and original data of the sample to be measured can be obtained. Therefore, even when the measured value of the sample to be measured is captured as digital data, the original data of the sample can be obtained, and the processing of the measurement data and arbitrary display can be facilitated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a basic configuration concept of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventionally used electrical measurement circuit.
FIG. 3A shows the result of digital measurement of current-voltage characteristics of a superconducting junction array using a conventional electrical measurement circuit, and FIG. 3B shows a voltage signal amplified by analog measurement on the same sample. The figure which shows the example which displayed with the oscilloscope.
FIG. 4 is a diagram illustrating an overall configuration of an electrical measurement circuit that digitally measures a superconducting junction array according to the first embodiment.
5 is a diagram showing a measurement result of current-voltage characteristics of a superconducting junction array derived from a digital signal collected with the configuration of FIG. 4;
6A is a plan view of a superconducting element as an example of a sample for measuring basic characteristics, FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 6A, and FIG. (D) is an equivalent circuit diagram.
FIG. 7 is a diagram showing an overall configuration of an example in which the characteristics of a superconducting quantum interference device are measured using the electrical measurement circuit of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the measurement result of the measurement device shown in FIG. 7 in comparison with the measurement result of a conventional device.
FIG. 9 is a diagram showing an example in which a large number of samples to be measured are measured at one time.
FIG. 10 is a diagram showing an overall configuration of an embodiment for measuring output voltage characteristics of a magnetic flux quantum circuit.
11 is a circuit diagram illustrating a modification of the basic configuration concept shown in FIG. 1. FIG.
[Explanation of symbols]
11, 12, 13, 14: resistance, 17, 18: terminal, 23: power supply, 24: sample, 25, 26: voltage probe, 30: signal source, 311, 312: voltage amplifier, 321 and 322: low-pass filter, 33: Digitization circuit, 34: Computer, 71: Superconducting junction, 72: Lower electrode, 73: Interlayer insulating film, 74: Barrier layer, 75: Upper electrode, 76: Substrate, 80: Superconducting magnetic flux quantum interference device, 81: Superconducting junction, 82: inductor, 83: bias current source, 85: current injection line, 86: voltage terminal, 87: grounding point, 91: output voltage-injection current of superconducting magnetic flux quantum interference element by electric measurement circuit according to the present invention Characteristics: 92: Output voltage-injection current characteristics of a superconducting magnetic flux quantum interference device by a conventional electric measurement circuit, 100: Low temperature device, 110: Converter from voltage signal to magnetic flux quantum, 1 1: transmission circuit including a toggle flip-flop, 112: output circuit composed of a conversion circuit from the flux quantum to a voltage signal, 113: superconducting junction, 114: inductor 115: constant-current bias source.

Claims

Two terminals to which the sample to be measured is connected, a first resistor connected to one of the two terminals so as to be connected in series with the sample to be measured, another terminal of the first resistor and the two terminals A second resistor connected between the other one and a third resistor having one end connected to a connection point of the first resistor and the second resistor, and passing through these resistors to the sample to be measured An electrical measuring apparatus characterized by supplying a current and connecting a probe for detecting a voltage to both ends of the first and third resistors.

The electrical measuring device according to claim 1, wherein the resistance values of the first and second resistors are such that the resistance value of the first resistor is smaller than the resistance value of the second resistor.

The measured sample is a circuit including a superconducting junction, and the resistance values of the first and second resistors are set such that the resistance value of the first resistor is smaller than the resistance value of the second resistor, The electrical measuring device according to claim 1, wherein the resistance value of the first resistor is smaller than the resistance when the superconducting junction as the sample to be measured is in a normal conducting state.

The electrical measurement apparatus according to claim 1, wherein when the sample to be measured is a sample placed in a low-temperature environment having a temperature equal to or lower than a liquid nitrogen temperature, the first to third resistors are also placed in the same low-temperature environment.

The electrical measuring device according to claim 1, wherein the probe for detecting the voltage includes a voltage amplification circuit, a low-pass filter, and a circuit for converting an analog signal into a digital signal.