Контактное сопротивление

Электрическое сопротивление, связанное с контактирующими интерфейсами

Электрическое контактное сопротивление ( ЭКР , или просто контактное сопротивление ) — это сопротивление протеканию электрического тока, вызванное неполным контактом поверхностей, через которые протекает ток, а также пленками или оксидными слоями на контактирующих поверхностях. Это происходит в электрических соединениях, таких как переключатели, разъемы, выключатели, контакты и измерительные зонды. Значения контактного сопротивления обычно невелики (в диапазоне от микроома до миллиома).

Контактное сопротивление может вызвать значительные падения напряжения и нагрев в цепях с большим током. Поскольку контактное сопротивление увеличивает собственное сопротивление проводников, оно может привести к значительным ошибкам измерения, когда необходимы точные значения сопротивления.

Контактное сопротивление может меняться в зависимости от температуры. Оно также может меняться со временем (чаще всего уменьшаться) в процессе, известном как ползучесть сопротивления.

Электрическое сопротивление контакта также называют сопротивлением интерфейса , переходным сопротивлением или корректирующим членом . Паразитное сопротивление — это более общий термин, в котором обычно предполагается, что контактное сопротивление является основным компонентом.

Уильям Шокли ^[1] ввел идею падения потенциала на инжекционном электроде, чтобы объяснить разницу между экспериментальными результатами и моделью постепенной аппроксимации канала.

Методы измерения

Поскольку контактное сопротивление обычно сравнительно невелико, его трудно измерить, а измерение с четырьмя клеммами дает лучшие результаты, чем простое измерение с двумя клеммами, выполненное с помощью омметра.

• При измерении с двумя выводами (как при обычном омметре) ток, используемый для измерения, подается через измерительные провода, что вызывает падение потенциала не только на измеряемой площади контакта, но также на контактах зонда и ведет. Это означает, что контактное сопротивление щупов и их выводов неотделимо от сопротивления измеряемой площади контакта, с которой они включены последовательно.
• При измерении с четырьмя клеммами ток, используемый для измерения, подается с помощью второй отдельной пары проводов, поэтому контактное сопротивление измерительных щупов и их выводов не учитывается при измерении.

Удельное сопротивление контакта можно получить, умножив его на площадь контакта.

Схема оценки контактного сопротивления методом линии передачи.

Экспериментальная характеристика

Для экспериментальной характеристики необходимо различать оценку контактного сопротивления в двухэлектродных системах (например, диодах) и трехэлектродных системах (например, транзисторах).

В двухэлектродных системах удельное контактное сопротивление экспериментально определяется как наклон ВАХ при V = 0 :

${\displaystyle r_{c}=\left\{{\frac {\partial V}{\partial J}}\right\}_{V=0}}$

где J — плотность тока или ток на площадь. Поэтому единицы удельного контактного удельного сопротивления обычно выражаются в Ом-квадратный метр или 0,000 ома . Когда ток является линейной функцией напряжения, говорят, что устройство имеет омические контакты . Индуктивные и емкостные методы в принципе можно использовать для измерения внутреннего импеданса без усложнения контактного сопротивления. На практике для определения сопротивления чаще используются методы постоянного тока . ${\displaystyle \Omega \cdot {\text{cm}}^{2}}$

Трехэлектродные системы, такие как транзисторы, требуют более сложных методов аппроксимации контактного сопротивления. Наиболее распространенным подходом является модель линии передачи (TLM). Здесь общее сопротивление устройства отображается как функция длины канала: ${\displaystyle R_{\text{tot}}}$

${\displaystyle R_{\text{tot}}=R_{\text{c}}+R_{\text{ch}}=R_{\text{c}}+{\frac {L}{WC\mu \left(V_{\text{gs}}-V_{\text{ds}}\right)}}}$

где и - сопротивления контактов и каналов соответственно, - длина/ширина канала, - емкость изолятора затвора (на единицу площади), - подвижность носителей, и - напряжения затвор-исток и сток-исток. Следовательно, линейная экстраполяция общего сопротивления на нулевую длину канала дает контактное сопротивление. Наклон линейной функции связан с крутизной канала и может использоваться для оценки подвижности носителей «без контактного сопротивления». Используемые здесь аппроксимации (линейное падение потенциала в области канала, постоянное контактное сопротивление и т. д.) иногда приводят к зависимому от канала контактному сопротивлению. ^[2] ${\displaystyle R_{\text{c}}}$ ${\displaystyle R_{\text{ch}}}$ ${\displaystyle L/W}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle V_{\text{gs}}}$ ${\displaystyle V_{\text{ds}}}$

Помимо TLM были предложены стробированные четырехзондовые измерения ^[3] и модифицированный времяпролетный метод (TOF). ^[4] Прямыми методами, позволяющими непосредственно измерить падение потенциала на инжекционном электроде, являются зондовая силовая микроскопия Кельвина (ИКМ) ^[5] и генерация второй гармоники, индуцированная электрическим полем. ^[6]

В полупроводниковой промышленности структуры с перекрестным мостовым резистором Кельвина (CBKR) являются наиболее часто используемыми испытательными структурами для характеристики контактов металл-полупроводник в планарных устройствах технологии СБИС. В процессе измерения подайте ток (I) между контактами 1 и 2 и измерьте разность потенциалов между контактами 3 и 4. Тогда контактное сопротивление Rk можно рассчитать как . ^[7] ${\displaystyle Rk=V34/I}$

Механизмы

Для заданных физических и механических свойств материала параметры, которые определяют величину электрического контактного сопротивления (ECR) и его изменение на границе раздела, связаны в первую очередь со структурой поверхности и приложенной нагрузкой ( механика контакта ). ^[8] Поверхности металлических контактов обычно имеют внешний слой оксидного материала и адсорбированных молекул воды, что приводит к образованию контактов конденсаторного типа на слабо контактирующих неровностях и контактов резисторного типа на сильно контактирующих неровностях, где прикладывается достаточное давление, чтобы неровности проникли в оксидный слой, образующий пятна контакта металла с металлом. Если пятно контакта достаточно маленькое, с размерами, сравнимыми или меньшими, чем средняя длина свободного пробега электронов, сопротивление на пятне может быть описано механизмом Шарвина , при котором перенос электронов может быть описан баллистической проводимостью . Как правило, со временем пятна контакта расширяются, а контактное сопротивление на границе раздела ослабляется, особенно на слабо контактирующих поверхностях, из-за сварки, индуцированной током, и пробоя диэлектрика. Этот процесс известен также как ползучесть сопротивления. ^[9] При механистической оценке явлений ЭЦР необходимо учитывать связь химии поверхности , контактной механики и механизмов переноса заряда.

Квантовый предел

Когда проводник имеет пространственные размеры, близкие к , где – волновой вектор Ферми проводящего материала, закон Ома больше не выполняется. Эти небольшие устройства называются квантово-точечными контактами . Их проводимость должна быть целым числом, кратным значению , где – элементарный заряд , – постоянная Планка . Квантовые точечные контакты ведут себя скорее как волноводы , чем как классические провода повседневной жизни, и могут быть описаны формализмом рассеяния Ландауэра . ^[10] Точечное контактное туннелирование является важным методом определения характеристик сверхпроводников . ${\displaystyle 2\pi /k_{\text{F}}}$ ${\displaystyle k_{\text{F}}}$ ${\displaystyle 2e^{2}/h}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle h}$

Другие формы контактного сопротивления

Измерения теплопроводности также зависят от контактного сопротивления, которое имеет особое значение при переносе тепла через сыпучие среды. Аналогично падение гидростатического давления (аналог электрического напряжения ) происходит при переходе потока жидкости из одного канала в другой.

Значение

Плохие контакты являются причиной поломок или плохой работы самых разных электрических устройств. Например, корродированные зажимы соединительного кабеля могут помешать попыткам завести автомобиль с разряженной батареей . Грязные или корродированные контакты на предохранителе или его держателе могут создать ложное впечатление, что предохранитель перегорел. Достаточно высокое контактное сопротивление может вызвать существенный нагрев сильноточного устройства. Непредсказуемые или шумные контакты являются основной причиной выхода из строя электрооборудования.

Смотрите также

• Контактный очиститель
• Ток смачивания

Рекомендации

1. Шокли, Уильям (сентябрь 1964 г.). «Исследование и исследование обратных эпитаксиальных силовых транзисторов СВЧ». Отчет № А1-ТОР-64-207. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
2. Вайс, Мартин; Лин, Джек; Тагучи, Дай; Манака, Такааки; Ивамото, Мицумаса (2010). «Понимание проблемы контактного сопротивления путем прямого исследования падения потенциала в органических полевых транзисторах». Письма по прикладной физике . 97 (26): 263304. Бибкод : 2010ApPhL..97z3304W. дои : 10.1063/1.3533020.
3. Песавенто, Пол В.; Честерфилд, Рид Дж.; Ньюман, Кристофер Р.; Фрисби, К. Дэниел (2004). «Измерения с четырьмя зондами на пентаценовых тонкопленочных транзисторах: контактное сопротивление как функция напряжения на затворе и температуры». Журнал прикладной физики . 96 (12): 7312. Бибкод : 2004JAP....96.7312P. дои : 10.1063/1.1806533.
4. Вайс, Мартин; Лин, Джек; Тагучи, Дай; Манака, Такааки; Ивамото, Мицумаса (2009). «Анализ переходных токов в органическом полевом транзисторе: метод времени пролета». Журнал физической химии C. 113 (43): 18459. doi :10.1021/jp908381b.
5. Бюрги, Л.; Сиррингхаус, Х.; Друг, Р.Х. (2002). «Бесконтактная потенциометрия полимерных полевых транзисторов». Письма по прикладной физике . 80 (16): 2913. Бибкод : 2002ApPhL..80.2913B. дои : 10.1063/1.1470702.
6. Накао, Мотохару; Манака, Такааки; Вайс, Мартин; Лим, Ынджу; Ивамото, Мицумаса (2009). «Зондирование введения носителей в пентаценовый полевой транзистор с помощью микроскопического оптического измерения генерации второй гармоники с временным разрешением». Журнал прикладной физики . 106 (1): 014511–014511–5. Бибкод : 2009JAP...106a4511N. дои : 10.1063/1.3168434.
7. Ставицкий, Натали; Клоотвейк, Йохан Х.; ван Зейл, Хенк В.; Ковальгин Алексей Юрьевич; Уолтерс, Роб AM (февраль 2009 г.). «Кросс-мостовые резисторные конструкции Кельвина для надежного измерения низких контактных сопротивлений и определения характеристик контактного интерфейса». Транзакции IEEE по производству полупроводников . 22 (1): 146–152. дои :10.1109/TSM.2008.2010746. ISSN  0894-6507. S2CID  111829.
8. Чжай, Чонгпу; Ханаор, Дориан; Пруст, Гвеналь; Брассар, Лоуренс; Ган, Исян (декабрь 2016 г.). «Межфазное электромеханическое поведение на шероховатых поверхностях» (PDF) . Письма по экстремальной механике . 9 (3): 422–429. doi :10.1016/j.eml.2016.03.021.
9. Чжай, Чонгпу; Ханаор, Дориан А.Х.; Пруст, Гвеналь; Ган, Исян (2015). «Зависимое от напряжения электрическое контактное сопротивление на фрактальных шероховатых поверхностях». Журнал инженерной механики . 143 (3): B4015001. doi : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967.
10. Ландауэр, Рольф (август 1976 г.). «Эффекты пространственной модуляции плотности носителей в металлической проводимости». Физический обзор B . 14 (4): 1474–1479. Бибкод : 1976PhRvB..14.1474L. doi : 10.1103/PhysRevB.14.1474.

дальнейшее чтение

• Питни, Кеннет Э. (2014) [1973]. Руководство по контактам Ney — Электрические контакты для использования с низким энергопотреблением (перепечатка 1-го изд.). Дерингер-Ней, первоначально JM Ney Co. ASIN  B0006CB8BC.^{[ постоянная неработающая ссылка ]} (Примечание. Бесплатная загрузка после регистрации.)
• Слэйд, Пол Г. (12 февраля 2014 г.) [1999]. Электрические контакты: принципы и применение . Электротехника и электроника. Том. 105 (2-е изд.). CRC Press , Taylor & Francisco, Inc. ISBN 978-1-43988130-9. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
• Холм, Рагнар ; Холм, Эльза (29 июня 2013 г.) [1967]. Уильямсон, JBP (ред.). Электрические контакты: теория и применение (переиздание 4-го исправленного изд.). Springer Science & Business Media . ISBN 978-3-540-03875-7.(Примечание. Переработка предыдущего « Справочника по электрическим контактам ».)
• Холм, Рагнар ; Холм, Эльза (1958). Справочник по электрическим контактам (3-е полностью переписанное издание). Берлин / Геттинген / Гейдельберг, Германия: Springer-Verlag . ISBN 978-3-66223790-8.[1] (Примечание. Переписывание и перевод более ранней книги « Die technische Physik der elektrischen Kontakte » (1941) на немецкий язык, которая доступна в переиздании под ISBN 978-3-662-42222-9 .) 
• Гек, Манфред; Вальчук, Евгенюк; Буреш, Изабель; Вайзер, Йозеф; Борхерт, Лотар; Фабер, Манфред; Барс, Вилли; Зегер, Карл Э.; Имм, Рейнхард; Беренс, Волкер; Хебер, Йохен; Гроссманн, Герман; Стреули, Макс; Шулер, Питер; Хайнцель, Гельмут; Хармсен, Ульф; Дьёри, Имре; Ганц, Иоахим; Хорн, Йохен; Каспар, Франц; Линдмайер, Манфред; Бергер, Франк; Баужан, Гюнтер; Кричел, Ральф; Вольф, Иоганн; Шрайнер, Гюнтер; Шретер, Герхард; Мауте, Уве; Линнеманн, Хартмут; Тар, Ральф; Мёллер, Вольфганг; Ридер, Вернер; Каминский, Ян; Попа, Хайнц-Эрих; Шнайдер, Карл-Хайнц; Больц, Якоб; Вермидж, Л.; Майер, Урсула (2016) [1984]. Винарицкий, Эдуард; Шредер, Карл-Хайнц; Вайзер, Йозеф; Кейл, Альберт; Мерл, Вильгельм А.; Мейер, Карл-Людвиг (ред.). Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren (на немецком языке) (3-е изд.). Берлин / Гейдельберг / Нью-Йорк / Токио: Springer-Verlag . ISBN 978-3-642-45426-4.