吉时利 6517B 静电计/高阻计
2025-09-04
在半导体材料体电阻率测量、绝缘材料特性分析、微弱光电电流探测及静电放电研究等尖端领域，研究人员面临的挑战已超越常规仪器的极限：如何稳定测量 10^-17 A 级别的微弱电流？如何精准量化 10^15 Ω 以上的超高电阻？ 传统皮安计和万用表在此领域已完全失效。吉时利 6517B 以其 0.1 fA (10^-16 A) 电流分辨率、10 PΩ (10^16 Ω) 电阻测量能力、< 3.5 fA 偏置电流 的殿堂级性能，结合 内置电压源与电荷测量功能，成为超高阻与弱电流测量领域无可争议的行业标准。
一、核心原理：基于反馈安培计技术的极致精度
6517B 的核心是一个静电计级别的运算放大器，采用 反馈安培计（Feedback Ammeter） 技术，这是其能达到飞安级测量精度的关键。
反馈安培计原理：
待测的微弱电流 (I_IN) 直接流入运放的虚地反相输入端。
该电流被强制流过一个精度极高的反馈电阻 (R_F)。
运放的输出端产生一个电压 (V_OUT = -I_IN × R_F)，该电压被高精度 ADC 测量。
优势：由于运放的输入阻抗极高（>10^15 Ω），流入的电流几乎全部流经反馈电阻，且输入端子始终维持在近乎 0V 的虚地电位，极大地减少了因输入电压波动带来的误差和漏电流。
实现飞安测量的关键技术：
** guarded 技术：所有输入连接线都被一个电位的保护（Guard）** 环所包围。保护电位与输入信号电位同步，从而消除电缆和夹具间的漏电流。
低噪声设计：采用特制低噪声 JFET 输入级和精心挑选的元件，将本底噪声降至最低。
密封与干燥：关键输入部件被密封并在内部填充干燥气体，防止潮湿引起的漏电。
二、详细特性参数（定义行业巅峰）
电气性能核心指标
| 参数 | 6517B 指标 | 意义与优势 |
|---|---|---|
| 电流测量范围 | 10 fA 至 20 mA (共 8 个量程) | 覆盖从微弱暗电流到微安级光电流的广阔范围 |
| 电流分辨率 | 0.1 fA (在 2 nA 量程) | 可探测到极其微弱的电流变化，为材料研究提供关键数据 |
| 电压偏置 | < ± 3.5 fA (典型值) | 极低的输入偏置电流意味着即使输入端开路，仪器自身的电流也极小，保证小电流测量真实性 |
| 输入阻抗 | > 200 TΩ (与量程相关) | 极高的输入阻抗确保对待测电路的影响微乎其微 |
| 电阻测量范围 | 10 Ω 至 10 PΩ (10^16 Ω) | 直接测量绝缘材料、半导体晶圆的体电阻率 |
| 内置电压源 | 0 至 ±1000 V (可编程，1V步进) | 为电阻测量和器件测试提供高稳定度的偏置电压，无需外接电源 |
| 电荷测量范围 | 10 fC 至 2 μC | 用于测量电容器电荷、压电效应、摩擦起电等物理现象 |
精度与稳定性
| 参数 | 条件 | 指标 |
|---|---|---|
| 电流精度 | (1年， 23°C ±1°C， 2 nA 量程) | ±(0.3% 读数 + 100 fA) |
| 电压源精度 | (1年， 23°C ±1°C) | ±(0.05% 输出 + 1 mV) |
通用特性
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 接口 | GPIB (IEEE-488.2), RS-232, Handler (用于分选机集成) |
| 显示 | 真空荧光显示屏 (VFD)，清晰明亮 |
| 扫描功能 | 内部提供电压扫描和延迟功能，适用于自动生成I-V曲线 |
三、关键注意事项（规避测量陷阱，确保数据真实）
静电屏蔽与防护（Guard）是生命线：
必须使用三同轴电缆：中心导体连接信号，外层屏蔽层（Guard）必须连接到仪器的 Guard 端子。严禁使用普通同轴电缆。
连接Guard：将被测器件或夹具安装在金属屏蔽盒内，并将屏蔽盒连接到 Guard 端子，以消除空间静电干扰和表面漏电流。
环境控制至关重要：
湿度控制：环境湿度必须 < 40% RH。湿度越高，绝缘材料表面漏电越严重，测量值会显著偏小。建议在干燥箱或充有干燥气体的密封 chamber 中测量。
温度稳定：避免温度剧烈波动，热电动势会引入测量误差。预热仪器 至少1小时 以达到热稳定。
电磁干扰 (EMI) 屏蔽：远离交流电源线、电机、荧光灯等干扰源。将整个测试系统置于法拉第笼或金属屏蔽箱内是最佳实践。
测量技巧与优化：
零点校正：在进行最精密的测量前，执行 Zero Check 功能，测量并存储仪器的内部偏移，并在后续测量中自动扣除。
选择合适量程：尽量使用最小的量程，以获得最佳分辨率和精度。但需避免输入过载。
延迟时间：在施加电压和进行测量之间设置足够的延迟时间， especially for high resistance measurements, to allow the dielectric absorption effect to stabilize.
安全操作：
高压警告：内置电压源可输出 1000 V DC。操作时必须确保所有高压连接牢固、绝缘良好，并有明显警示标志。
四、核心应用领域
半导体材料与器件表征：
晶圆级漏电流测试：测量 MOSFET 的栅极漏电流 (IGSS)，评估高-k栅介质质量。
体电阻率与方块电阻：使用四探针法或范德堡法，配合内置电压源，精确测量半导体晶圆、外延片的电阻率。
绝缘材料评估：
高分子材料、陶瓷、玻璃的体电阻率和表面电阻率测试，用于评估其绝缘性能是否符合国家标准 (如 GB/T 1410)。
光电与传感器研究：
光电二极管暗电流：精确测量光电探测器在无光照条件下的本底噪声电流。
图像传感器 (CCD/CMOS) 的暗电流和电荷转换效率表征。
静电学研究：
摩擦起电 (Triboelectric) 电荷量的精确测量。
静电放电 (ESD) 事件的微弱电流监测。
五、高效操作指南（以测量超高电阻为例）
步骤 1：系统搭建与连接
确保所有连接在干燥、屏蔽的环境中进行。
步骤 2：仪器设置
按下 【POWER】 开机，预热1小时。
按下 【ZERO CHECK】 进行零点校正。
选择电阻测量模式 【RESISTANCE】。
设置内置电压源：按下 【SOURCE】，设置一个合适的测试电压（如 100 V 或 500 V）。
设置延迟时间：在菜单中设置足够的稳定时间（如 30-60 秒）。
步骤 3：执行测量与读数
按下 【OPERATE】 键，开始测量。
仪器会自动计算并直接显示电阻值（单位可以是 Ω, kΩ, MΩ, GΩ, TΩ）。
记录稳定后的读数。
步骤 4：计算电阻率 (如需要)
对于体电阻率 ρ，计算公式为： ρ = R x (A / t)
R: 测量得到的电阻值 (Ω)
A: 电极面积 (m²)
t: 样品厚度 (m)
为什么顶级实验室选择 6517B？
无可争议的精度权威：0.1 fA 分辨率和 < 3.5 fA 偏置电流，提供了最值得信赖的微弱电流测量数据。
功能高度集成：单台仪器集成静电计、高阻计、电压源和电荷计，无需复杂系统集成。
吉时利品质与可靠性：作为电学测量领域的标杆，其稳定性和重复性历经时间考验。
强大的自动化能力：GPIB 接口使得它易于集成到自动化测试系统中，进行长时间、高重复性的精密测量。