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吉時利 6517B 靜電計/高阻計
2025-09-04
在半導(dǎo)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(lǐng)域，研究人員面臨的挑戰(zhàn)已超越常規(guī)儀器的極限：如何穩(wěn)定測量 10^-17 A 級別的微弱電流？如何精準(zhǔn)量化 10^15 Ω 以上的超高電阻？ 傳統(tǒng)皮安計和萬用表在此領(lǐng)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(jié)合 內(nèi)置電壓源與電荷測量功能，成為超高阻與弱電流測量領(lǐng)域無可爭議的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
一、核心原理：基于反饋安培計技術(shù)的極致精度
6517B 的核心是一個靜電計級別的運(yùn)算放大器，采用 反饋安培計（Feedback Ammeter） 技術(shù)，這是其能達(dá)到飛安級測量精度的關(guān)鍵。
反饋安培計原理：
待測的微弱電流 (I_IN) 直接流入運(yùn)放的虛地反相輸入端。
該電流被強(qiáng)制流過一個精度極高的反饋電阻 (R_F)。
運(yùn)放的輸出端產(chǎn)生一個電壓 (V_OUT = -I_IN × R_F)，該電壓被高精度 ADC 測量。
優(yōu)勢：由于運(yùn)放的輸入阻抗極高（>10^15 Ω），流入的電流幾乎全部流經(jīng)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(xiàn)飛安測量的關(guān)鍵技術(shù)：
** guarded 技術(shù)：所有輸入連接線都被一個電位的保護(hù)（Guard）** 環(huán)所包圍。保護(hù)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(shè)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(guān)鍵輸入部件被密封并在內(nèi)部填充干燥氣體，防止潮濕引起的漏電。
二、詳細(xì)特性參數(shù)（定義行業(yè)巔峰）
電氣性能核心指標(biāo)
| 參數(shù) | 6517B 指標(biāo) | 意義與優(yōu)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(guān)鍵數(shù)據(jù) |
| 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(guān)) | 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(dǎo)體晶圓的體電阻率 |
| 內(nèi)置電壓源 | 0 至 ±1000 V (可編程，1V步進(jìn)) | 為電阻測量和器件測試提供高穩(wěn)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(yīng)、摩擦起電等物理現(xiàn)象 |
精度與穩(wěn)定性
| 參數(shù) | 條件 | 指標(biāo) |
|---|---|---|
| 電流精度 | (1年， 23°C ±1°C， 2 nA 量程) | ±(0.3% 讀數(shù) + 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(jī)集成) |
| 顯示 | 真空熒光顯示屏 (VFD)，清晰明亮 |
| 掃描功能 | 內(nèi)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(guān)鍵注意事項（規(guī)避測量陷阱，確保數(shù)據(jù)真實）
靜電屏蔽與防護(hù)（Guard）是生命線：
必須使用三同軸電纜：中心導(dǎo)體連接信號，外層屏蔽層（Guard）必須連接到儀器的 Guard 端子。嚴(yán)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(nèi)，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(huán)境控制至關(guān)重要：
濕度控制：環(huán)境濕度必須 < 40% RH。濕度越高，絕緣材料表面漏電越嚴(yán)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(wěn)定：避免溫度劇烈波動，熱電動勢會引入測量誤差。預(yù)熱儀器 至少1小時 以達(dá)到熱穩(wěn)定。
電磁干擾 (EMI) 屏蔽：遠(yuǎn)離交流電源線、電機(jī)、熒光燈等干擾源。將整個測試系統(tǒng)置于法拉第籠或金屬屏蔽箱內(nèi)是最佳實踐。
測量技巧與優(yōu)化：
零點校正：在進(jìn)行最精密的測量前，執(zhí)行 Zero Check 功能，測量并存儲儀器的內(nèi)部偏移，并在后續(xù)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(jìn)行測量之間設(shè)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(nèi)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(biāo)志。
四、核心應(yīng)用領(lǐng)域
半導(dǎo)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(zhì)質(zhì)量。
體電阻率與方塊電阻：使用四探針法或范德堡法，配合內(nèi)置電壓源，精確測量半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn) (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(zhuǎn)換效率表征。
靜電學(xué)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(jiān)測。
五、高效操作指南（以測量超高電阻為例）
步驟 1：系統(tǒng)搭建與連接
確保所有連接在干燥、屏蔽的環(huán)境中進(jìn)行。
步驟 2：儀器設(shè)置
按下 【POWER】 開機(jī)，預(yù)熱1小時。
按下 【ZERO CHECK】 進(jìn)行零點校正。
選擇電阻測量模式 【RESISTANCE】。
設(shè)置內(nèi)置電壓源：按下 【SOURCE】，設(shè)置一個合適的測試電壓（如 100 V 或 500 V）。
設(shè)置延遲時間：在菜單中設(shè)置足夠的穩(wěn)定時間（如 30-60 秒）。
步驟 3：執(zhí)行測量與讀數(shù)
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(wěn)定后的讀數(shù)。
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(quán)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(shù)據(jù)。
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(fù)雜系統(tǒng)集成。
吉時利品質(zhì)與可靠性：作為電學(xué)測量領(lǐng)域的標(biāo)桿，其穩(wěn)定性和重復(fù)性歷經(jīng)時間考驗。
強(qiáng)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(tǒng)中，進(jìn)行長時間、高重復(fù)性的精密測量。