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吉時利 6517B 靜電計/高阻計
2025-09-04
在半導體材料體電阻率測量、絕緣材料特性分析、微弱光電電流探測及靜電放電研究等尖端領域，研究人員面臨的挑戰已超越常規儀器的極限：如何穩定測量 10^-17 A 級別的微弱電流？如何精準量化 10^15 Ω 以上的超高電阻？ 傳統皮安計和萬用表在此領域已完全失效。吉時利 6517B 以其 0.1 fA (10^-16 A) 電流分辨率、10 PΩ (10^16 Ω) 電阻測量能力、< 3.5 fA 偏置電流 的殿堂級性能，結合 內置電壓源與電荷測量功能，成為超高阻與弱電流測量領域無可爭議的行業標準。
一、核心原理：基于反饋安培計技術的極致精度
6517B 的核心是一個靜電計級別的運算放大器，采用 反饋安培計（Feedback Ammeter） 技術，這是其能達到飛安級測量精度的關鍵。
反饋安培計原理：
待測的微弱電流 (I_IN) 直接流入運放的虛地反相輸入端。
該電流被強制流過一個精度極高的反饋電阻 (R_F)。
運放的輸出端產生一個電壓 (V_OUT = -I_IN × R_F)，該電壓被高精度 ADC 測量。
優勢：由于運放的輸入阻抗極高（>10^15 Ω），流入的電流幾乎全部流經反饋電阻，且輸入端子始終維持在近乎 0V 的虛地電位，極大地減少了因輸入電壓波動帶來的誤差和漏電流。
實現飛安測量的關鍵技術：
** guarded 技術：所有輸入連接線都被一個電位的保護（Guard）** 環所包圍。保護電位與輸入信號電位同步，從而消除電纜和夾具間的漏電流。
低噪聲設計：采用特制低噪聲 JFET 輸入級和精心挑選的元件，將本底噪聲降至最低。
密封與干燥：關鍵輸入部件被密封并在內部填充干燥氣體，防止潮濕引起的漏電。
二、詳細特性參數（定義行業巔峰）
電氣性能核心指標
| 參數 | 6517B 指標 | 意義與優勢 |
|---|---|---|
| 電流測量范圍 | 10 fA 至 20 mA (共 8 個量程) | 覆蓋從微弱暗電流到微安級光電流的廣闊范圍 |
| 電流分辨率 | 0.1 fA (在 2 nA 量程) | 可探測到極其微弱的電流變化，為材料研究提供關鍵數據 |
| 電壓偏置 | < ± 3.5 fA (典型值) | 極低的輸入偏置電流意味著即使輸入端開路，儀器自身的電流也極小，保證小電流測量真實性 |
| 輸入阻抗 | > 200 TΩ (與量程相關) | 極高的輸入阻抗確保對待測電路的影響微乎其微 |
| 電阻測量范圍 | 10 Ω 至 10 PΩ (10^16 Ω) | 直接測量絕緣材料、半導體晶圓的體電阻率 |
| 內置電壓源 | 0 至 ±1000 V (可編程，1V步進) | 為電阻測量和器件測試提供高穩定度的偏置電壓，無需外接電源 |
| 電荷測量范圍 | 10 fC 至 2 μC | 用于測量電容器電荷、壓電效應、摩擦起電等物理現象 |
精度與穩定性
| 參數 | 條件 | 指標 |
|---|---|---|
| 電流精度 | (1年， 23°C ±1°C， 2 nA 量程) | ±(0.3% 讀數 + 100 fA) |
| 電壓源精度 | (1年， 23°C ±1°C) | ±(0.05% 輸出 + 1 mV) |
通用特性
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 接口 | GPIB (IEEE-488.2), RS-232, Handler (用于分選機集成) |
| 顯示 | 真空熒光顯示屏 (VFD)，清晰明亮 |
| 掃描功能 | 內部提供電壓掃描和延遲功能，適用于自動生成I-V曲線 |
三、關鍵注意事項（規避測量陷阱，確保數據真實）
靜電屏蔽與防護（Guard）是生命線：
必須使用三同軸電纜：中心導體連接信號，外層屏蔽層（Guard）必須連接到儀器的 Guard 端子。嚴禁使用普通同軸電纜。
連接Guard：將被測器件或夾具安裝在金屬屏蔽盒內，并將屏蔽盒連接到 Guard 端子，以消除空間靜電干擾和表面漏電流。
環境控制至關重要：
濕度控制：環境濕度必須 < 40% RH。濕度越高，絕緣材料表面漏電越嚴重，測量值會顯著偏小。建議在干燥箱或充有干燥氣體的密封 chamber 中測量。
溫度穩定：避免溫度劇烈波動，熱電動勢會引入測量誤差。預熱儀器 至少1小時 以達到熱穩定。
電磁干擾 (EMI) 屏蔽：遠離交流電源線、電機、熒光燈等干擾源。將整個測試系統置于法拉第籠或金屬屏蔽箱內是最佳實踐。
測量技巧與優化：
零點校正：在進行最精密的測量前，執行 Zero Check 功能，測量并存儲儀器的內部偏移，并在后續測量中自動扣除。
選擇合適量程：盡量使用最小的量程，以獲得最佳分辨率和精度。但需避免輸入過載。
延遲時間：在施加電壓和進行測量之間設置足夠的延遲時間， especially for high resistance measurements, to allow the dielectric absorption effect to stabilize.
安全操作：
高壓警告：內置電壓源可輸出 1000 V DC。操作時必須確保所有高壓連接牢固、絕緣良好，并有明顯警示標志。
四、核心應用領域
半導體材料與器件表征：
晶圓級漏電流測試：測量 MOSFET 的柵極漏電流 (IGSS)，評估高-k柵介質質量。
體電阻率與方塊電阻：使用四探針法或范德堡法，配合內置電壓源，精確測量半導體晶圓、外延片的電阻率。
絕緣材料評估：
高分子材料、陶瓷、玻璃的體電阻率和表面電阻率測試，用于評估其絕緣性能是否符合國家標準 (如 GB/T 1410)。
光電與傳感器研究：
光電二極管暗電流：精確測量光電探測器在無光照條件下的本底噪聲電流。
圖像傳感器 (CCD/CMOS) 的暗電流和電荷轉換效率表征。
靜電學研究：
摩擦起電 (Triboelectric) 電荷量的精確測量。
靜電放電 (ESD) 事件的微弱電流監測。
五、高效操作指南（以測量超高電阻為例）
步驟 1：系統搭建與連接
確保所有連接在干燥、屏蔽的環境中進行。
步驟 2：儀器設置
按下 【POWER】 開機，預熱1小時。
按下 【ZERO CHECK】 進行零點校正。
選擇電阻測量模式 【RESISTANCE】。
設置內置電壓源：按下 【SOURCE】，設置一個合適的測試電壓（如 100 V 或 500 V）。
設置延遲時間：在菜單中設置足夠的穩定時間（如 30-60 秒）。
步驟 3：執行測量與讀數
按下 【OPERATE】 鍵，開始測量。
儀器會自動計算并直接顯示電阻值（單位可以是 Ω, kΩ, MΩ, GΩ, TΩ）。
記錄穩定后的讀數。
步驟 4：計算電阻率 (如需要)
對于體電阻率 ρ，計算公式為： ρ = R x (A / t)
R: 測量得到的電阻值 (Ω)
A: 電極面積 (m2)
t: 樣品厚度 (m)
為什么頂級實驗室選擇 6517B？
無可爭議的精度權威：0.1 fA 分辨率和 < 3.5 fA 偏置電流，提供了最值得信賴的微弱電流測量數據。
功能高度集成：單臺儀器集成靜電計、高阻計、電壓源和電荷計，無需復雜系統集成。
吉時利品質與可靠性：作為電學測量領域的標桿，其穩定性和重復性歷經時間考驗。
強大的自動化能力：GPIB 接口使得它易于集成到自動化測試系統中，進行長時間、高重復性的精密測量。