Сопротивление контактов

редактировать

физический эффект

Термин сопротивление контакта относится к вкладу в общее сопротивление системы, которое может быть отнесено к интерфейсам контакта электрические провода и соединения в отличие от внутреннего сопротивления. Этот эффект описывается термином «электрическое контактное сопротивление» (ECR) и возникает в результате ограниченных площадей истинного контакта на границе раздела и присутствия резистивных поверхностных пленок или оксидных слоев. ECR может изменяться со временем, чаще всего уменьшаясь в процессе, известном как сопротивление ползучести. Идея падения потенциала на инжекционном электроде была введена Уильямом Шокли для объяснения разницы между экспериментальными результатами и моделью постепенного приближения канала. В дополнение к термину ECR также используются интерфейсное сопротивление, переходное сопротивление или просто поправочный член. Термин «паразитное сопротивление» используется как более общий термин, в котором обычно предполагается, что контактное сопротивление является основным компонентом.

Схема оценки контактного сопротивления методом линии передачи.

Содержание

1 Экспериментальная характеристика
2 Механизмы
3 Квантовый предел
4 Другие формы контактного сопротивления
5 Значение
6 См. Также
7 Ссылки
8 Дополнительная литература

Экспериментальная характеристика

Здесь мы должны различать оценку контактного сопротивления в двухэлектродных системах (например, диодах) и трехэлектродных системы (например, транзисторы).

Для двухэлектродных систем удельное контактное сопротивление экспериментально определяется как наклон ВАХ при V = 0:

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

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

где J - текущая плотность или ток на площадь. Таким образом, единицы удельного сопротивления контакта обычно выражаются в Ом-квадратном метре или $Ом ⋅ см 2 {\ displaystyle \ Omega \ cdot {\ text {cm}} ^ {2}}$ $\ Omega \ cdot {\ text {cm}} ^ {2}$ . Когда ток является линейной функцией напряжения, говорят, что устройство имеет омические контакты.

. Сопротивление контактов можно грубо оценить, сравнив результаты измерения на четырех клеммах с простое двухпроводное измерение с помощью омметра. В эксперименте с двумя выводами измерительный ток вызывает падение потенциала как на измерительных выводах, так и на контактах, так что сопротивление этих элементов неотделимо от сопротивления фактического устройства, с которым они включены последовательно. При измерении с четырехточечным датчиком одна пара проводов используется для подачи измерительного тока, а вторая пара проводов, параллельная первой, используется для измерения падения потенциала на устройстве. В случае с четырьмя датчиками нет падения потенциала на проводах измерения напряжения, поэтому падение контактного сопротивления не учитывается. Разница между сопротивлением, полученным с помощью методов с двумя и четырьмя выводами, является достаточно точным измерением контактного сопротивления при условии, что сопротивление выводов намного меньше. Удельное контактное сопротивление можно получить, умножив на площадь контакта. Также следует отметить, что сопротивление контакта может изменяться в зависимости от температуры.

Индуктивные и емкостные методы в принципе могут использоваться для измерения внутреннего импеданса без усложнения контактного сопротивления. На практике для определения сопротивления чаще используются методы постоянного тока.

Трехэлектродные системы, такие как транзисторы, требуют более сложных методов для приближения контактного сопротивления. Наиболее распространенный подход - это модель линии передачи (TLM). Здесь общее сопротивление устройства $R tot {\ displaystyle R _ {\ text {tot}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {tot}}}$ показано как функция длины канала:

R tot = R c + R ch Знак равно R c + LWC μ (V GS - V DS) {\ 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)}}}

{\ 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 $R c {\ displaystyle R _ {\ text {c}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {c}}}$ и $R ch {\ displaystyle R _ {\ text {ch}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {ch}}}$ - сопротивление контакта и канала, соответственно, $L / W {\ displaystyle L / W}$ $L / W$ - длина / ширина канала, $C {\ displaystyle C}$ $C$ - емкость изолятора затвора (на единицу площади), $μ {\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ - мобильность носителя, а $V gs {\ displaystyle V _ {\ text {gs}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {gs}}}$ и $V ds { \ displaystyle V _ {\ text {ds}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {ds}}}$ - напряжения затвор-исток и сток-исток. Следовательно, линейная экстраполяция полного 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 приближения (линейное падение потенциала в области канала, постоянное контактное сопротивление и т. Д.) Иногда приводят к зависимому от канала контактному сопротивлению.

Помимо TLM было предложено четырехзондовое измерение со стробированием и модифицированное время пролета метод (TOF). Прямые методы, позволяющие непосредственно измерить падение потенциала на инжекционном электроде, - это зондовая силовая микроскопия Кельвина (KFM) и генерация второй гармоники, индуцированной электрическим полем.

В полупроводниковой промышленности используется крестообразный резистор Кельвина (CBKR).) структуры являются наиболее часто используемыми тестовыми структурами для характеристики контактов металл-полупроводник в устройствах Planar технологии VLSI. В процессе измерения приложите силу тока (I) между контактами 1 и 2 и измерьте разность потенциалов между контактами 3 и 4. Контактное сопротивление Rk затем можно рассчитать как $R k = V 34 / I {\ displaystyle Rk = V34 / I}$ ${\ displaystyle Rk = V34 / I}$ .

Механизмы

Для заданных физико-механических свойств материала параметры, которые определяют величина электрического контактного сопротивления (ECR) и его изменение на границе раздела в первую очередь относятся к структуре поверхности и приложенной нагрузке (Контактная механика ). Поверхности металлических контактов обычно имеют внешний слой из оксидного материала и адсорбированных молекул воды, что приводит к переходам конденсаторного типа на слабоконтактных выступах и контактам резистивного типа на сильно контактирующих выступах, где прикладывают достаточное давление, чтобы неровности проникали через оксидный слой, образуя участки контакта металл-металл. Если пятно контакта достаточно маленькое, с размерами, сравнимыми или меньшими, чем средний свободный пробег электронов, сопротивление в пятне может быть описано с помощью механизма Шарвина, с помощью которого можно описать перенос электронов. по баллистической проводимости. Как правило, со временем пятна контакта расширяются и контактное сопротивление на границе раздела, особенно на слабо контактирующих поверхностях, уменьшается в результате сварки под действием тока и пробоя диэлектрика. Этот процесс известен также как ползучесть с сопротивлением. Взаимодействие химии поверхности , контактной механики и механизмов переноса заряда необходимо учитывать при механистической оценке явлений ЭЦР.

Квантовый предел

Когда проводник имеет пространственные размеры, близкие к $2 π / k F {\ displaystyle 2 \ pi / k _ {\ text {F}}}$ ${\ displaystyle 2 \ pi / k _ {\ text {F}}}$ , где $k F {\ displaystyle k _ {\ text {F}}}$ ${\ displaystyle k _ {\ text {F}}}$ - волновой вектор Ферми проводящего материала, закон Ома выполняет больше не держать. Эти небольшие устройства называются квантовыми точечными контактами. Их проводимость должна быть целым числом, кратным значению $2 e 2 / h {\ displaystyle 2e ^ {2} / h}$ $2e ^ {2} / h$ , где $e {\ displaystyle e}$ $e$ - элементарный заряд, а $h {\ displaystyle h}$ $h$ - постоянная Планка. Квантовые точечные контакты ведут себя больше как волноводы, чем классические провода повседневной жизни и могут быть описаны с помощью формализма рассеяния Ландауэра. Точечный контакт туннелирование - важный метод определения характеристик сверхпроводников.

Другие формы контактного сопротивления

Измерения теплопроводности также зависят от контактного сопротивления, с особым значением при переносе тепла через гранулированные среды. Точно так же падение гидростатического давления (аналогично электрическому напряжению ) происходит, когда поток текучей среды переходит из одного канала в другой.

Значение

Плохие контакты являются причиной отказа или плохой работы в большом количестве электрических устройств. Например, корродированные зажимы соединительного кабеля могут сорвать попытки запуска автомобиля с разряженным аккумулятором. Грязные или корродированные контакты предохранителя или его держателя могут создать ложное впечатление, что предохранитель перегорел. Достаточно высокое контактное сопротивление может вызвать существенный нагрев в сильноточном устройстве. Непредсказуемые или шумные контакты - основная причина выхода из строя электрического оборудования.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Pitney, Kenneth E. (2014) [1973]. Руководство Ney Contact - Электрические контакты для использования с низким энергопотреблением (перепечатка 1-го изд.). Дерингер-Ней, первоначально JM Ney Co. ASIN B0006CB8BC.(NB. Бесплатная загрузка после регистрации.)
Слэйд, Пол Г. (12 февраля 2014 г.) [1999]. Электрические контакты: принципы и применение. Электротехника и вычислительная техника. Электротехника и электроника. 105 (2-е изд.). CRC Press, Taylor Francis, Inc. ISBN 978-1-43988130-9.
Holm, Ragnar ; Holm, Else (29 июня 2013 г.) [1967]. Уильямсон, Дж. Б. П. (ред.). Электрические контакты: теория и применение (перепечатка 4-го перераб.). Springer Science Business Media. ISBN 978-3-540-03875-7.(NB. Переписанный ранее «Справочник по электрическим контактам».)
Холм, Рагнар ; Holm, Else (1958). Справочник по электрическим контактам (3-е полностью переписанное изд.). Берлин / Геттинген / Гейдельберг, Германия: Springer-Verlag. ISBN 978-3-66223790-8.[1] (NB. Переписывание и перевод более ранней «Die technische Physik der elektrischen Kontakte» (1941) на немецкий язык, который доступен как переиздание под номером ISBN 978-3-662-42222-9.)
Huck, Manfred; Walczuk, Eugeniucz; Buresch, Isabell; Weiser, Josef; Borchert, Лотар; Фабер, Манфред; Барс, Вилли; Сэгер, Карл Э.; Имм, Райнхард; Беренс, Фолькер; Хебер, Йохен; Гросманн, Герман; Штреули, Макс; Шулер, Петер; Хайнцель, Гельмут; Хармсен, Ульф; Дьери Имре; Ганц, Иоахим; Хорн, Йохен; Каспар, Франц; Линдмайер, Манфред; Бергер, Франк; Бауджан, Гюнтер; Крихель, Ральф; Вольф, Иоганн; Шрайнер, Гюнтер; Шретер, Герхард; Маут, Уве; Линнеманн, Хартмут; Тар, Ральф; Мёллер, Вольфганг; Ридер, Вернер; Камински, Ян; Попа, Хайнц-Эрих; Шнайдер, Карл-Хайнц; Больц, Якоб; Вермий, Л.; Майер, Урсула (2016) [1984]. Винарики, Эдуард ; Schröder, Karl-Heinz; Weiser, Josef; Keil, Albert; Merl, Wilhelm A.; Meyer, Carl-Ludwig (ред.). Elektri sche 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.