Связаться с сопротивлением

Термин « контактное сопротивление» относится к вкладу в общее сопротивление системы, которое можно отнести к интерфейсам контакта электрических выводов и соединений, а не к собственному сопротивлению. 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 ползучесть сопротивления . Идея падения потенциала на инжекционном электроде была введена Уильямом Шокли ^[1]объяснить разницу 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.

Эскиз оценки контактного сопротивления методом ЛЭП.

Экспериментальная характеристика [ править ]

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

В течение двух электродных систем удельное сопротивление контакта экспериментально определяется как наклон кривой IV 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 сопротивления контактов обычно выражаются в омах на квадратный метр или . Когда ток является линейной функцией напряжения, говорят, что устройство имеет омические контакты . ${\ displaystyle \ Omega \ cdot {\ text {cm}} ^ {2}}$

Сопротивление контактов можно грубо оценить, сравнив результаты измерения на четырех клеммах.к простому двухпроводному измерению 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 реального 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 двух- и четырехпроводного методов, 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 контактное сопротивление может изменяться в зависимости от температуры.

В принципе, индуктивные и емкостные методы 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 приближения контактного сопротивления. Наиболее распространенный подход - модель линии передачи (TLM). Здесь полное сопротивление устройства отображается как функция длины канала: ${\ displaystyle R _ {\ text {tot}}}$

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 - сопротивление контакта и канала, соответственно, - длина / ширина канала, - емкость изолятора затвора (на единицу площади), - подвижность носителя, и - 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,…) иногда приводят к зависимому от канала контактному сопротивлению. ^[2] $R_{\text{c}}$ $R_{\text{ch}}$ $L/W$ $C$ $\mu$ $V_{\text{gs}}$ $V_{\text{ds}}$

Помимо TLM было предложено стробируемое четырехзондовое измерение ^[3] и модифицированный метод времени пролета (TOF). ^[4] Прямые методы, позволяющие непосредственно измерить падение потенциала на инжекционном электроде, - это зондовая силовая микроскопия Кельвина (KFM) ^[5] и индуцированная электрическим полем генерация второй гармоники. ^[6]

В полупроводниковой промышленности структуры с кросс-мостовым резистором Кельвина (CBKR) являются наиболее часто используемыми тестовыми структурами для определения характеристик контактов металл-полупроводник в планарных устройствах технологии СБИС. Во время процесса 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] $Rk=V34/I$

Механизмы [ править ]

Для заданных физико-механических свойств материала параметры, которые определяют величину электрического контактного сопротивления (ECR) и его изменение на границе раздела, в первую очередь относятся к структуре поверхности и приложенной нагрузке ( механика контакта ). ^[8] Поверхности металлических контактов обычно имеют внешний слой из оксидного материала и адсорбированных молекул воды, что приводит к переходам конденсаторного типа на слабо контактирующих неровностях и к контактам резистивного типа на сильно контактирующих неровностях, где прикладывается достаточное давление, чтобы неровности проникали сквозь поверхность. оксидный слой, образующий пятна контакта металл-металл. Если пятно контакта достаточно маленькое, с размерами, сопоставимыми или меньшими, чемдлина свободного пробега сопротивления электронов в области пятна может быть описана механизмом Шарвина , в соответствии с которым перенос электронов может быть описан баллистической проводимостью . 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 сопротивления. ^[9] Взаимодействие химии поверхности , контактной механики и механизмов переноса заряда необходимо учитывать при механистической оценке явлений ЭЦР.

Квантовый предел [ править ]

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

Другие формы контактного сопротивления [ править ]

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

Значение [ править ]

Плохие контакты являются причиной выхода из строя 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 значительное нагревание сильноточного устройства. Непредсказуемые или шумные контакты - основная причина выхода из строя электрического оборудования.

См. Также [ править ]

Очиститель контактов
Смачивающий ток
Напряжение смачивания

Ссылки [ править ]

^ Шокли, Уильям (сентябрь 1964). «Исследование и исследование инверсных эпитаксиальных силовых СВЧ транзисторов». Отчет № А1-ТОР-64-207. Cite journal requires |journal= (help)
^ 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. Bibcode : 2010ApPhL..97z3304W . DOI : 10.1063 / 1.3533020 .
^ Песавенто, Пол V .; Chesterfield, Reid J .; Newman, Christopher R .; Фрисби, К. Дэниэл (2004). «Стробированные четырехзондовые измерения на тонкопленочных транзисторах пентацена: сопротивление контактов как функция напряжения на затворе и температуры». Журнал прикладной физики . 96 (12): 7312. Bibcode : 2004JAP .... 96.7312P . DOI : 10.1063 / 1.1806533 .
^ Вайс, Мартин; Лин, Джек; Тагучи, Дай; Манака, Такааки; Ивамото, Мицумаса (2009). "Анализ переходных токов в органических полевых транзисторах: времяпролетный метод". Журнал физической химии C . 113 (43): 18459. дои : 10.1021 / jp908381b .
^ Bürgi, L .; Sirringhaus, H .; Друг, RH (2002). «Бесконтактная потенциометрия полимерных полевых транзисторов». Письма по прикладной физике . 80 (16): 2913. Bibcode : 2002ApPhL..80.2913B . DOI : 10.1063 / 1.1470702 .
^ Накао, Мотохару; Манака, Такааки; Вайс, Мартин; Лим, Ынджу; Ивамото, Мицумаса (2009). «Зондирование инжекции носителей в полевой транзистор пентацена с помощью микроскопического оптического измерения генерации второй гармоники с временным разрешением». Журнал прикладной физики . 106 (1): 014511–014511–5. Bibcode : 2009JAP ... 106a4511N . DOI : 10.1063 / 1.3168434 .
^ Ставицкий, Натали; Klootwijk, Johan H .; van Zeijl, Henk W .; Ковальгин Алексей Юрьевич; Уолтерс, Роб AM (февраль 2009 г.). «Структуры крестообразных резисторов Кельвина для надежного измерения низких контактных сопротивлений и определения характеристик контактных поверхностей» . IEEE Transactions по производству полупроводников . 22 (1): 146–152. DOI : 10.1109 / TSM.2008.2010746 . ISSN 0894-6507 . S2CID 111829 .
^ Чжай, Чунпу; Ханаор, Дориан; Пруст, Гвенаэль; Брассар, Лоуренс; Ган, Исян (декабрь 2016 г.). «Межфазное электромеханическое поведение на шероховатых поверхностях» (PDF) . Письма об экстремальной механике . 9 (3): 422–429. DOI : 10.1016 / j.eml.2016.03.021 .
^ Чжай, Чунпу; Ханаор, Дориан А.Х .; Пруст, Гвенаэль; Гань, Исян (2015). «Зависимое от напряжения сопротивление электрического контакта на фрактальных шероховатых поверхностях» . Журнал инженерной механики . 143 (3): B4015001. DOI : 10.1061 / (ASCE) EM.1943-7889.0000967 .
^ Ландауэр, Рольф (август 1976). «Эффекты пространственной модуляции плотности носителей в металлической проводимости». Physical Review B . 14 (4): 1474–1479. Bibcode : 1976PhRvB..14.1474L . DOI : 10.1103 / PhysRevB.14.1474 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Питни, Кеннет Э. (2014) [1973]. Руководство Ney Contact - Электрические контакты для использования с низким энергопотреблением (перепечатка 1-го изд.). Дерингер-Ней, первоначально JM Ney Co. ASIN B0006CB8BC .^{[ постоянная мертвая ссылка ]} (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.
Холм, Рагнар ; Холм, Остальное (29 июня 2013 г.) [1967]. Уильямсон, JBP (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 ; Холм, Остальное (1958). Справочник по электрическим контактам (3-е полностью переписанное изд.). Берлин / Геттинген / Гейдельберг, Германия: Springer-Verlag . ISBN 978-3-66223790-8. [1] (NB. Перезапись и перевод более ранней « Die technische Physik der elektrischen Kontakte » (1941) на немецкий язык, которая доступна в виде перепечатки под ISBN 978-3-662-42222-9 .)
Гек, Манфред; Валчук, Евгений; Буреш, Изабель; Вайзер, Йозеф; Борхерт, Лотар; Фабер, Манфред; Бахрс, Вилли; Saeger, Karl E .; Imm, Рейнхард; Беренс, Фолькер; Хебер, Йохен; Гросманн, Германн; Штреули, Макс; Шулер, Питер; Хайнцель, Гельмут; Хармсен, Ульф; Дьёри, Имре; Ганц, Иоахим; Хорн, Йохен; Каспар, Франц; Линдмайер, Манфред; Бергер, Франк; Бауджан, Гюнтер; Кричел, Ральф; Вольф, Иоганн; Шрайнер, Гюнтер; Шретер, Герхард; Мауте, Уве; Линнеманн, Хартмут; Тар, Ральф; Мёллер, Вольфганг; Ридер, Вернер; Камински, Ян; Попа, Хайнц-Эрих; Шнайдер, Карл-Хайнц; Больц, Якоб; Vermij, L .; Майер, Урсула (2016) [1984]. Винарицкий, Эдуард; Шредер, Карл-Хайнц; Вайзер, Йозеф; Кейл, Альберт; Merl, Wilhelm A .; Майер, 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.

[Shockley_1964-1] Шокли, Уильям (сентябрь 1964). «Исследование и исследование инверсных эпитаксиальных силовых СВЧ транзисторов». Отчет № А1-ТОР-64-207. Cite journal requires |journal= (help)

[Weis_2010-2] 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. Bibcode : 2010ApPhL..97z3304W . DOI : 10.1063 / 1.3533020 .

[Pesavento_2004-3] Песавенто, Пол V .; Chesterfield, Reid J .; Newman, Christopher R .; Фрисби, К. Дэниэл (2004). «Стробированные четырехзондовые измерения на тонкопленочных транзисторах пентацена: сопротивление контактов как функция напряжения на затворе и температуры». Журнал прикладной физики . 96 (12): 7312. Bibcode : 2004JAP .... 96.7312P . DOI : 10.1063 / 1.1806533 .

[Weis_2009-4] Вайс, Мартин; Лин, Джек; Тагучи, Дай; Манака, Такааки; Ивамото, Мицумаса (2009). "Анализ переходных токов в органических полевых транзисторах: времяпролетный метод". Журнал физической химии C . 113 (43): 18459. дои : 10.1021 / jp908381b .

[Bürgi_2002-5] Bürgi, L .; Sirringhaus, H .; Друг, RH (2002). «Бесконтактная потенциометрия полимерных полевых транзисторов». Письма по прикладной физике . 80 (16): 2913. Bibcode : 2002ApPhL..80.2913B . DOI : 10.1063 / 1.1470702 .

[Nakao_2009-6] Накао, Мотохару; Манака, Такааки; Вайс, Мартин; Лим, Ынджу; Ивамото, Мицумаса (2009). «Зондирование инжекции носителей в полевой транзистор пентацена с помощью микроскопического оптического измерения генерации второй гармоники с временным разрешением». Журнал прикладной физики . 106 (1): 014511–014511–5. Bibcode : 2009JAP ... 106a4511N . DOI : 10.1063 / 1.3168434 .

[7] Ставицкий, Натали; Klootwijk, Johan H .; van Zeijl, Henk W .; Ковальгин Алексей Юрьевич; Уолтерс, Роб AM (февраль 2009 г.). «Структуры крестообразных резисторов Кельвина для надежного измерения низких контактных сопротивлений и определения характеристик контактных поверхностей» . IEEE Transactions по производству полупроводников . 22 (1): 146–152. DOI : 10.1109 / TSM.2008.2010746 . ISSN 0894-6507 . S2CID 111829 .

[Zhai_2016-8] Чжай, Чунпу; Ханаор, Дориан; Пруст, Гвенаэль; Брассар, Лоуренс; Ган, Исян (декабрь 2016 г.). «Межфазное электромеханическое поведение на шероховатых поверхностях» (PDF) . Письма об экстремальной механике . 9 (3): 422–429. DOI : 10.1016 / j.eml.2016.03.021 .

[Zhai_2015-9] Чжай, Чунпу; Ханаор, Дориан А.Х .; Пруст, Гвенаэль; Гань, Исян (2015). «Зависимое от напряжения сопротивление электрического контакта на фрактальных шероховатых поверхностях» . Журнал инженерной механики . 143 (3): B4015001. DOI : 10.1061 / (ASCE) EM.1943-7889.0000967 .

[Landauer_1976-10] Ландауэр, Рольф (август 1976). «Эффекты пространственной модуляции плотности носителей в металлической проводимости». Physical Review B . 14 (4): 1474–1479. Bibcode : 1976PhRvB..14.1474L . DOI : 10.1103 / PhysRevB.14.1474 .

[1]