超高电阻/超低电流测量的 Keithley 静电计

超高电阻/超低电流测量的 Keithley 静电计

从三个敏感选项中选择，实现精确的高阻抗和低电流测量。5½ 位 6514 型和 6517B 型静电计提供 1fA 灵敏度，输入阻抗 >200TΩ 的电压测量，以及低至 10fC 的电荷测量。6½ 位 6430 型亚 fA 远程 SourceMeter SMU 仪器能够以 1aA 的灵敏度测量电流。其噪声低、偏差小，非常适用于研究单电子器件、高电阻纳米线和纳米管、聚合物以及电化学应用。

吉时利5位半6517B静电计/高阻表提供的精 度和灵敏度指标高于其他同类型仪表。它还具有 完备的功能，使测量高阻和绝缘材料电阻率变得 简单。6517B具有425读数/秒的测试速率，比同 类型的静电计快很多，可以提供快速、简易的弱 电流测量能力测量弱电流。

主要特点:

• 电阻测量可达1016 Ω

• 电流测量范围1fA - 20mA

• 最小电流量程输入端压降<20μV

• 200TΩ 输入阻抗

• <3fA 偏置电流

• 测试速率高达425 rdgs/s

• 噪声0.75fA p-p

• 内置±1kV电压源

• 独特的高电阻测量电压反接方法

• 可选的插件式扫描卡

出众的性能指标

半机架型6517B静电计/高阻表具有特殊的低 电流输入放大器，其输入偏置电流<3fA，噪声仅 0.75fA p-p (峰-峰) ，输入端压降<20μV。对于 接近理想的电路负载，其电压和电阻测量的输入 阻抗是200TΩ。这些性能指标确保物理、光学、纳米技术和材料科学等研究领域低电流和高阻抗电压、电阻和电荷测量所需的准确 度和灵敏度。内置±1kV的电压源具有扫描能力，从而简化漏流测试、击穿电压测试 和电阻测试，以及绝缘材料的体电阻率(Ω-cm) 及表面电阻率(Ω/square) 的测量。

测量范围宽

6517B型静电计/高阻表具有全自动量程，超过电流、电阻、电压和电荷测量满量程：
• 电流测量范围：1fA - 20mA
• 电压测量范围：10μV - 200V
• 电阻测量范围：50Ω - 1016Ω
• 电荷测量范围：10fC - 2μC

改进的高灵敏度测量

许多测试应用要求测量高级别材料的电阻率（面电阻率和体电阻率）。传统测 量方法是对样本施加足够高的电压，测量流经样本的电流，然后利用欧姆定律(R=V /I)计算其电阻。虽然高阻材料和器件产生很小的电流，很难准确进行测量，但利用 吉时利静电计和皮安计则可以成功地进行这种测量。

即使利用高精度仪器，材料中固有的背景电流使得进行准确测量较为 困难。由于压电效应、电容效应和偏振效应，绝缘材料、聚合物和塑料通 常都显示出背景电流。这些背景电流一般等于或大于施加电压产生的电流。 在这些情况下，其测量结果往往是不稳定的，生成不准确的电阻或电阻率 读数甚至错误的负值。吉时利6517B型静电计/高阻表旨在解决这些问题， 并为各种材料和元件提供一致、可重复和精准的测量，特别是与8009型电 阻测试夹具一起使用时。

变换极性法

6517B型静电计/高阻表使用变换电极法，实际上消除了样本的背景电 流。并剔除背景电流的第一级和第二级漂移。变换电极法施加一个正极性 电压，然后在指定延迟（测量时间）后测量电流。接着，改变电压极性， 使用相同的延迟，重新测量电流。连续重复这个过程，并根据4个最新电 流测量结果的加权平均值计算出电阻。对大多数材料来说，通过7次反转(即 舍弃前三个读数)，这个方法通常生成可高度重复、准确的电阻（或电阻 率）测量结果。例如，利用8009型测试夹具0.3%的重复度，可对1mm厚 的1014Ω-cm材料样本进行测量，在15秒测试周期内其背景电流低于200fA。

与数字多用表类似的简单操作

6517B型静电计/高阻表采用与数 字多用表类似的简易操作，可通过前 面板，利用单一按钮控制电阻测量等 重要功能。还可以通过内置IEEE-488 接口实施控制，因此，可利用计算机 控制器通过总线对所有功能进行编程。

高精度高阻测量

6517B型静电计/高阻表的诸多特 性和能力有助于确保高阻测量应用的 准确度。例如，其内置电压源简化了 绝缘器电阻率和所用电源电压电平之 间关系的确定。它还非常适合电容器 泄漏和绝缘电阻测量、印刷电路板表 面绝缘电阻测试、电阻器电压系数测 试以及二极管泄漏特性分析。

温度和湿度测试

湿度和温度可能严重影响材料的 电阻率值。为了帮助您准确比较在不 同情况下测得的读数，6517B型静电 计/高阻表提供内置K型热电偶和一个 可选的6517-RH型相对湿度探头。其 内置数据存储缓冲器允许记录和调用 具有时间、温度和相对湿度Stamping 的读数。

附件扩展测量能力

利用多种可选附件，可以扩展 6517B型静电计/高阻表的应用，并改 进其性能。

扫描卡。利用两张扫描卡，可以简化 多个信号的扫描。每张卡都可以轻松 插入仪器后面板的插槽。6521型扫描 卡提供10个低电平电流扫描通道。 6522型扫描卡提供10个高阻抗电压开 关或低电流开关通道。

测试夹具。8009型电阻率夹具是一款 受保护的测试夹具，用于样本材料的 体电阻率和表明电阻率测量。它包括 按ASTM标准构建的不锈钢电极。该 夹具的电极尺寸已在6517B型静电计 /高阻表预编程，因此无需计算其数 值，可以稍后手动输入。这个附件旨 在保护用户避免接触潜在的危险电压 ——自动开启夹具盖，关闭6517B型 静电计/高阻表电压源输出。

应用

6517B型静电计/高阻表非常适合物 理、光学、纳米技术和材料科学等研究 领域的低电流和高阻抗电压、电阻和电 荷测量。其极低的电压降非常适合太阳 能电池测量，其内置电压源和低电流灵 敏度使之成为基于聚合物的纳米线等高 阻测量的出众解决方案。其高速和易用 性使之成为质量控制、产品工程和生产 测试（包括漏流、击穿和电阻测试）应 用的极好选择。利用6517B型静电计/高 阻表的电压反转方法，可以大幅改进对 绝缘材料的体电阻率和表面电阻率测量。 6517B型静电计/高阻表还非常适合电化 学应用，如离子选择性电极和pH测量、 电导电池和电势测定。

改进型6517B静电计/高阻表

6517B型静电计/高阻表是一款升 级型号，用于取代1996年推出的6517A 型仪器。利用SCPI指令为6517A型仪器 建造的软件应用程序无需任何修改即可 用于6517B型静电计/高阻表。不过，同 早期的6517A设计相比，6517B型静电 计/高阻表进行了一些改进。其内部电 池供电的内存缓存可存储高达50,000个 读数，允许用户更长时间地记录测试结 果，并存储更多与读数有关的数据。该 新型仪器还为内部缓存提供更快的读取 速度(高达425读数/秒)，还可通过IEEE 总线存入外部存储器(速度高达400读数 /秒)。为了满足现代连接和安全需求， 6517B型还连接器进行了几处改动。

电压

常模抑制比（NMRR）：2V和20V量程>60dB, 200V量程>55dB。
50Hz或60Hz2。
共态抑制比（CMRR）：直流时>120dB，50Hz或60Hz。
输入阻抗：>200TΩ，并联20pF电容，保护电容<2pF(1MΩ零检查)。
前置放大器输出端的小信号带宽: 典型值100kHz (–3dB)。

注：

1. 适当归零时，5½位，1个PLC (电力线周期)，中值滤波器开启, 数字滤波器 = 10个读数。
2. 线路同步。

电流

输入偏置电流：<3fA（典型值）。
温度系数 = 0.5fA/°C，20pA量程。
输入偏置电流噪声：<750aA p-p (capped input)，带宽0.1Hz～10Hz， 阻尼。数字滤波器= 40读数，量程20pA。
输入电压降（典型温度±1°C）：
在20pA, 2nA, 20nA, 2μA与20μA量程时，<20μV。
在200pA, 200nA与200μA量程时，<100μV。
在2mA量程时，<.2mV。在20mA量程时，<5mV。
输入电压降温度系数：在pA, nA与μA量程时，<10μV/°C。
前置放大器建立时间(达到最终值10%)典型值：在pA量程时， 为0.5s (阻尼关闭)和2.0 s (阻尼开启)。在nA量程时，为15ms (阻尼关闭)；在μA量程时，为1ms (阻尼关闭)；在mA量程时， 为500μs (阻尼关闭)。
常模抑制比（NMRR）：在50Hz或60Hz3时，在各个量程均>60dB。

注：
1. 适当归零时，5½位，1个PLC (电力线周期)，中值滤波器开启, 数字滤波器 = 10个读数。
2. aA = 10-18A，fA = 10-15A
3. 线路同步。

电阻(常规方法)

注：
1. 自动电压源欧姆性能指标，适当归零时，5½位，1个PLC (电力线周期)，中值滤波器开启, 数字滤波器 = 10个读数。如果需要用户可选电压，请使用手动模式。手动模式显示通过测 得电流计算出的电阻(高达1018Ω)。其准确度等同于电压源准确度加选定电流量程的准确度。
前置放大器建立时间：在电流性能指标中，为前置放大器建立时间增加电压源建立时间。
超过20GΩ的范围需要根据载荷特性额外设定。

电阻(变换极性法)

变换极性序列可以补偿待测材料或期间的背景（偏移）电流。最大容许偏移为所用电流量程 的满刻度。
使用吉时利8009夹具
可靠性：ΔIBG × R/VALT + 0.1% (1σ) (仪器温度常数±1°C)。
准确度：(VSRCErr + IMEASErr × R)/VALT
其中：ΔIBG是测量得到的来自样本和测试夹具的典型背景电流噪声。
VALT是使用的变换极性电压。
VSRCErr是使用VALT作为设置的电压源准确度(单位：V) 。
IMEASErr是使用作为VALT /R读数的电流计准确度(单位：A)。

电压源

最大输出电流：
100V量程：±10mA, 在<14mA时，采取硬件短路电流保护。
1000V量程：±1mA, 在<1.4mA时，采取硬件短路电流保护。
建立时间：
100V量程：到达额定准确度<8m s。
1000V量程：到达额定准确度<50ms。
噪声(典型值)：
100V量程：<2.6mV rms。
1000V量程：<2.9mV rms。

电荷

注：
1. 性能指标适用于电荷刚采集后。增加
|QAV| (4fA + _____ ) TA RC 其中，TA = 电荷归零与测量之间的时间周期（单位：秒）
QAV = 在TA周期测得的平均电荷，RC = 300,000（典型值）。
2. 适当归零时，5½位，1个PLC (电力线周期)，中值滤波器开启, 数字滤波器 = 10个读数。
输入偏置电流: 典型值时，<4fA。温度系数= 0.5fA/°C，量程2nC。

温度（热电偶）

注：1. 不包括探测误差，Tcal ± 5°C, 1 PLC积分时间。

湿度

注： 1. 必须增加湿度探测准确度。对于6517-RH型，为±3% RH，探测环境温度高达65°C， 不超过85°C。

6517B型静电计/高阻表后面板

IEEE-488总线实现

实现：SCPI (IEEE-488.2, SCPI-1999.0)。
从触发到完成读数：150ms典型值，包括外部触发器。
RS-232实现：支持：SCPI 1991.0。波特率: 300, 600, 1200, 2400,4800, 9600, 19.2k, 38.4k, 57.6k与115.2k。
流程控制：无，Xon/Xoff。
连接器：DB-9 TXD/RXD/GND。

公共指标

过量程指示：当读数>105%量程时，显示读数 “OVERFLOW”（超额）。对于 严重过量程情况，显示 “OUT OF LIMIT”（超限）。
量程设置：自动或手动。
转换时间：可选择0.01PLC至10PLC。
最大输入：250V峰值，直流至60Hz正弦波；对于mA量程，每分钟最大值10s。
最大共模电压(直流至60Hz正弦波)：静电计，500V峰值；电压源，750V峰值。
隔离(仪表公共端至底盘)：>1010Ω,<500pF。
输入连接器：后面板包含3个三同轴电缆连接器。
2V模拟输出：对满量程输入，为2V。在电压模式下非反相，测量电流、电阻 或电荷时反相。输出阻抗10kΩ。
峰值输出：为电压测量提供保护输出。在电流和电荷模式下可以用作反相输出 或外部反馈。
外部触发器：TTL兼容的外部触发器与静电计。
保护：切换至可用电压保护。
数字I/O与触发线路：可用，参见使用手册。
EMC：符合欧盟指令89/336/EEC, EN 61326-1。
安全：符合欧盟指令73/23/EEC, EN 61010-1。
读数存储：50,000。
读数率：
至内部缓存：425 读数/秒1
至IEEE-488总线：400读数/秒1,2
总线传输：3300读数/秒2
1. 0.01PLC，数字滤波器关闭，前面板关闭，温度+ RH关闭，线路同步关闭。
2.二进制传输模式。
数字滤波器 ：中值 和平均。
环境：工 作：0 ～ 50°C；相对湿度70%非冷凝，最高35°C。
存储：–25 ～ +65°C。
海拔：最高高出海 平面2000 m，符合EN 61010-1标准。
预热：1小时至额定准确度(关于推荐的程序，参见手册)。
电源：用户可选择100, 120, 220, 240VAC ±10%; 50/60Hz, 100VA最大值。
外形：箱体尺寸：90mm 高× 214mm 宽 × 369mm 长(3½ in. × 8½ in.× 14½ in .)。
工作尺寸：从壳体前面到后面（包括电源线和IEEE-488连接器）：15.5 in。
净重：5.4kg (11.8 lbs.)。
毛重：6.9kg (15.11 lbs.)。

6430亚fA程控源表集合了吉时利源表 和源测量单元（SMU）产品的电压源和电流 源及测量功能，比静电计灵敏度更高，噪 声更低，输入阻抗更高。这种独特的性能 是通过6430远端前置放大器实现的，它提 供非常灵敏的双向放大器，用于测量或产 生被测试器件的电流。远端前置放大器输 出的高电平信号通过一条2米长的线缆发 送到控制主机上。这使得用户可以直接， 或者近距离连接该信号，减少线缆噪声 的影响。

主要特点:

• 0.4fA p-p (4E-16A)噪声

• 远端前置放大器可以位于信号源处以减少线缆噪声

• 电压测量的输入阻抗>1016Ω

• 高速——达2000读数/秒

• 分辨率达6位半

• 快速元件特性分析，带可编程数字I/O和接口

6430按照静电计无法达到的速度测量 电压、电流与电阻。它可以每秒读取最多 2000源/测量读数，读入内部存储器中。 可以测量快速小电流，100nA量程可响应 短至5ms的信号，较大量程可响应几百微 秒的信号。

6430的独特特点包括其优秀的低电 流灵敏度和远端前置放大器，这通过避 免长输入线缆发挥了灵敏度的作用。远 端前置放大器是6430反馈测量系统的主 要部分，虽然通过长达2米，带载高电平 信号的连接线缆它能离开主机一段距离 但是它不能独立于测量主机工作。

应用

6430的功能使其同样适于在测试实 验室的研究工作和复杂元件的评估，结 合其它源测量仪器或SMU用于在较高电平 上进行低电流、高电阻或高灵敏度的半 导体测量。6430的低噪声和漂移性能也非 常适合高阻性纳米线和其它高阻纳米材 料的研究。

高速数据处理

6430能以超过2000个读数/秒的速度 读至其内存缓冲器。IEEE-488总线输出能 每秒发送达75个源/测量读数至外部计算 机控制器，包括通过/失效指示。

6430能提供达2.2W的4象限源， 以及低至亚fA和微伏电平的测量 灵敏度。在高达20V，它能测量从 1pA量程（仅0.4fA峰峰值噪声）至 100mA量程的电流。可提供200mV至 200V的电压范围。电流和电压量程 设置定义了源或阱电压或电流的 最大值。

典型应用：

半导体测量

基于FET元件中的栅 极漏电或沟道漏电会在 MOSFET、FET、模拟开关和许 多其它电路中产生误差。通 过允许研究人员测量极低电 平的电流和电压，6430能帮 助他们了解这些元件的设计 局限以及研究替代器件的结 构或材料。

测量FET的栅极漏电和沟道电

SET研究

6430具有的优秀低电流测量能力（<0.4fA峰峰值）使其对于单电子晶体管 （SET）和量子点研究非常有用。使用类似于锁定的技术，6430能以1aA灵敏度测量 电流（10–18A=6电子/秒）。

测量行业的最低噪声和漂移

下图的数据表明6430在5小时期间内稳定性非常突出，而且短期的低噪声性能 优秀。使用6430的AUTOFILTER以5秒上升时间在1pA量程上实现微弱信号采集。插 图中的细节是滤波信号的截图，显示了6430型在最开始的100秒期间的低噪声性能 （仅200aA峰峰值）。在温度变化约1°C的实验室环境下提取数据，其中6430的IN/ OUT HI和SENSE引线接防护罩。

浓缩的测量指标1

电压测量准确度（4线感测）3

温度系数（0°C~18°C & 28°C~40°C）：±（0.15×规定的准确度）/°C。附加的测量指标

附加的测量指标

输出建立时间（典型值为最终值的10%）：<2s，1pA和10pA量程；<50ms，100pA 至10nA量程；<5ms，100nA至100mA量程。
电流噪声：在1分钟间隔观察时，90%的间隔中峰峰值噪声在400aA以内， 在使用Autofilter（5s 10% -90%的上升时间），使用三同轴连接器防护 罩，Autozero OFF、Source Delay=0，使用1pA量程至少3分钟的条件下。

电流测量准确度（2线或4线感测）4

温度系数（0°C-18°C & 28°C-40°C）：±[（0.15×规定的准确度）+1fA]/°C。
输入电流：<3fA@23°C，<40%相对湿度；通常为±0.5fA/°C在23°C左右，<40% 相对湿度。

电阻测量准确度（4线感测带远端前置放大器）

输出电流模式，自动电阻

温度系数（0°C~18°C & 28°C~40°C）：±（0.15×规定的准确度）/°C。
输出电流模式，手动电阻：不确定度总和=电流输出准确度+电压测量准确度 （四线测量）。
输出电压模式：不确定度总和=电压输出准确度+电流测量准确度（四线测 量）。
6线电阻模式：可使用有源电阻防护和防护检测（仅主机后面板）。防护输出 电流最大值：50mA。准确度取决于负载。查阅手册获取计算公式。
主机防护输出电阻：0.1Ω，电阻模式。

注解：

1.速度=10PLC，Autofilter ON，正确归零和稳定。
2.输出电流模式，I=0。
3.电压测量准确度不受远端前置放大器的影响。
4.电流测量准确度不受远端前置放大器影响；然而，1pA~100nA量程仅当 使用前置放大器时可用。
5.四线模式。
6.仅手动电阻模式。
7.激活源回读，失调补偿开。源时延必须设置为使源完全稳定才能读数。

浓缩的系统速度

测量1

量程变化速度的最大值：75/s。
单读数工作模式的读速度（读数/秒），在60Hz（50Hz）条件下：

浓缩的源指标4

电压设置准确度（4线感测）5

温度系数（0°C~18°C & 28°C~40°C）：±（0.15×规定的准确度）/°C。
最大输出功率：2.2W（4象限源或阱工作）。
源/阱极限：±21V@±105mA，±210V@±10.5mA。
电压调整率：线路调整率：量程的0.01%。负载调整率：量程的0.01%+100μV。
噪声10Hz~1MHz（峰峰值）：10mV。
过压保护：用户可选择，5%公差。工厂缺省为None。
电流钳制：双极性电流极限（容限）设为一个值。量程的0.1%（最小值）。

电流设置准确度（带远端前置放大器）

温度系数（0°C~18°C & 28°C~40°C）：±（0.15×规定的准确度）/°C。
最大输出功率：2.2W（4象限源或阱工作）。
源/阱极限：±10.5mA@±210V，±105mA@±21V。
电流调整率：线路调整率：量程的0.01%。负载调整率：量程的0.01%+1fA。
电压极限：双极性电压极限（容限）设为一个值。量程的0.1%（最小值）。

注解：

1.读数速率可用于电压或电流测量。关闭自稳零，关闭自动量程，关 闭滤波器，关闭显示，触发延时=0，源自动清空，并且采用二进制读 数格式。
2.采用上限和数学下限进行通过/失效测试。
3.包含测量之前重新设置源至新电平的时间。
4.对于阱模式，1pA~100mA量程，准确度是±(0.15%+偏移*4)。
5.电压源准确度不受远端前置放大器的影响。

综合说明

负载阻抗：稳定至20000pF在100mA至100μA量程，470pF在10μA和1μA量 程，以及100pF在nA和pA量程。查阅用户手册获取大电容性负载测量的 详细说明。
共模电压：±42VDC最大值。
共模隔离：>109Ω，<1000pF。
过量程：量程的105%，源和测量。
输入/输出与测量端子之间的最大压降：5V。（为满足规定的准确度用4线测 量，请参阅用户手册。）
测试线电阻最大值：10Ω，对于额定准确度。
测试输入电阻：1MΩ。
主机防护偏置电压：300μV，典型值。
前置放大器防护偏置电压：1mV典型值。
前置放大器防护输出电阻：110kΩ。
源输出模式：固定直流电平，内存列表（混合功能），阶梯波扫描（线性和 对数）。
源内存列表：100点（最大值）。
内存缓冲区：5,000个读数/秒@5位半（2个2,500点缓冲区）。包括所选的测 量值和时间戳。锂电池备份（电池寿命超过3年）。
数字接口：
安全互锁：有源低电平输入：
处理程序接口：测试开始，测试结束，3类比特。+5V@300mA电源。
数字I/O：1触发输入、4 TTL/继电器驱动输出（33V@500mA阱、二极管钳 位）。
可编程性：IEEE-488(SCPI-1995.0)，RS-232，5种用户定义的上电状态加上 出厂缺省设置和*RST。
电源：100V~240V有效值，50Hz~60Hz（上电时自动检测），100VA最大值。
EMC：符合欧盟指令89/336/EEC EN 55011，EN 50082-1，EN 61000-3-2和 61000-3-3，FCC第15部分Class B。
安全性：符合欧盟指令73/23/EEC EN 61010-1。
振动：MIL-PRF-28800F，Class 3。
预热时间：1小时达到额定准确度。
规格：89mm高×213mm宽×370mm深（3 1/2 in×8 3/8 in×14 9/16 in）。
测试台尺寸配置（带手柄和支脚）：104mm高×238mm宽×370mm深（4 1/8 in×9 3/8 in×14 9/16 in）。
放大器：20mm高×57mm宽×97mm深（0.783 in×2.225 in×3.75 in）。
重量：5.9公斤（13磅）。
工作环境：工作条件：0°~40°C，60%相对湿度（不凝结）至35°C。在 35°~40°C范围内，相对湿度降低5%/°C。存储条件：–25°C~65°C，不凝 结的湿度。

超高电阻/超低电流测量的 Keithley 静电计