Rev. Phys. Appl. (Paris) 11, 309-319 (1976)
DOI: 10.1051/rphysap:01976001102030900

Combined use of a lock-in detector and a multichannel analyser for 1/f noise application to tunneling spectroscopy

A. Léger, B. Delmas, J. Klein et S. De Cheveigne

Groupe de Physique des Solides de l'Ecole Normale Supérieure , Tour 23, 2, place Jussieu, 75221 Paris Cedex 05, France

Abstract
Obtaining a good signal-to-noise ratio (S/N) is of great importance in tunneling spectroscopy, as it has often led to the discovery of new phenomena. The quantities of interest are the derivatives of the tunnel junction I-V curve ; the usual approach to obtain these characteristics is to apply a modulation voltage around a D. C. bias and to detect the proper harmonic with a lock-in detector. In order to improve the S/N ratio, one would think of increasing the detector time-constant (and total sweep time), but experimentalists know that, above a few seconds, such an increase is illusive and even misleading. This is because there are low frequency instabilities in the equipment, but also because there is noise present in the junction characteristic itself. The combined use of a lock-in detector and a multichannel analyser is proposed, in order to average a large number (n) of short sweeps instead of using one single long sweep. The S/N ratio is calculated for such an experiment, and it is found that it depends strongly upon the noise spectral density. For a 1/f spectrum a large improvement (n) is obtained with respect to the usual method, for the same total experimental duration. A system for adapting a commercial multichannel to the plotting of junction characteristics is described, and experiments are performed that demonstrate the advantages of this method. In conclusion, it is emphasized that the limit of the possible improvement of the S/N ratio in tunneling spectroscopy is removed and that the system can be applied to many other types of spectroscopy.

Résumé
En spectroscopie par effet tunnel, il est très important d'obtenir un bon rapport signal sur bruit (S/B), cela a en effet souvent permis la découverte de nouveaux effets. La méthode habituelle pour obtenir les caractéristiques des jonctions tunnel consiste à leur appliquer une tension de modulation autour d'une polarisation continue, puis à détecter l'harmonique convenable avec une détection synchrone. On pourrait penser pouvoir augmenter indéfiniment le rapport S/B en augmentant la constante de temps de l'appareil (ainsi que la durée du balayage), mais l'expérience montre que cela est illusoire, voire néfaste, au-dessus de quelques secondes. Ceci provient de certaines fluctuations basse fréquence de l'appareillage mais aussi de celles qui sont inhérentes à la caractéristique de la jonction elle-même et qui échappent au déplacement vers les hautes fréquences qu'effectue la détection synchrone. Nous proposons d'utiliser un ensemble détection synchrone-analyseur multicanal afin de réaliser la moyenne de plusieurs (n) balayages, effectués rapidement, au lieu de n'en effectuer qu'un seul de longue durée. Nous calculons le rapport S/B lors d'une telle opération, et nous montrons que le résultat dépend complètement de la forme de la densité spectrale du bruit de caractéristique. Pour le cas d'un spectre en 1/f, on gagne un facteur important(n ) par rapport à la méthode traditionnelle, ceci pour un même temps total d'expérience. Nous décrivons un montage qui permet d'adapter un multicanal commercial au tracé des caractéristiques de jonctions, et nous effectuons des expériences qui illustrent les avantages de la méthode. En conclusion, nous insistons sur le fait que cette façon de procéder permet d'améliorer indéfiniment le rapport S/B lorsqu'on augmente le temps d'expérience, et qu'elle peut s'appliquer à de nombreuses autres spectroscopies.

PACS
0750 - Electrical instruments and techniques.
7340G - Tunnelling: general electronic transport.
6140 - Signal processing and detection.
7210X - Other instrumentation and measurement systems.
7230 - Sensing devices and transducers.
7250 - Bench and portable instruments.
1260 - Information theory.
3200 - Control equipment and instrumentation.

Key words
noise -- pulse height analysers -- signal detection -- tunnelling -- multichannel analyser -- 1 f noise -- noise spectral density -- lock in detector -- signal to noise ratio -- derivatives of tunnel junction IV curve -- average of many short sweeps -- tunnelling spectroscopy