基于自制低温跨阻放大器的量子点电荷传感快速时域电流测量

我们开发了一种使用自制基于 GaAs 高电子迁移率晶体管的低温跨阻放大器（TIA）的高速低噪声时域电流测量方案。由于该 TIA 具有可与商用室温 TIA 相媲美的低输入阻抗，该方案广泛适用于低温电流测量，包括半导体自旋量子比特读取。TIA 具有宽频率带宽和低噪声基底，二者之间的权衡由反馈电阻 $R_{FB}$ 决定。较低的 $R_{FB}=50$ k$\Omega$ 可实现高速电流测量，其 -3dB 截止频率 $f_{-3dB}$ = 28 MHz，噪声基底 $NF = 8.5 \times 10^{-27}$ A$^{2}$/Hz；而较大的 $R_{FB}=400$ k$\Omega$ 提供低噪声测量，$NF = 1.0 \times 10^{-27}$ A$^{2}$/Hz，$f_{-3dB}$ = 4.5 MHz。对峰峰值 2 nA 方波的时域测量（模拟通过电荷传感的标准自旋量子比特读取技术输出）在 $R_{FB}$ = 200 k$\Omega$ 时展现出 12.7 的信噪比（SNR）与 48 ns 的时间分辨率，优于射频（RF）反射测量技术的最佳报道值。通过使用更小（更大）的 $R_{FB}$，时间分辨率可进一步提高而以 SNR 为代价（或反之），并通过低通滤波器限制频带可进一步降低噪声系数。我们的方案非常适用于需要高时间分辨率与电流灵敏度的低温传感器读取电子学，从而为各类基础研究与工业应用提供解决方案。