Rezistența la contact

Rezistența de contact este rezistența unei zone de contact între diferite materiale, cum ar fi un contact metal-semiconductor. Rezistența de contact contribuie la rezistența totală a sistemului, care poate fi atribuită interfețelor de contact ale cablurilor și conexiunilor electrice, și nu rezistenței intrinseci a materialului. Acest efect în literatura de limba engleză este descris prin termenul „ rezistență electrică de contact” în limba engleză. rezistența electrică de contact ( ECR ) și rezultă din zonele limitate de contact real la interfață și prezența peliculelor de suprafață rezistive sau a straturilor de oxid. ECR se poate modifica de-a lungul timpului, cel mai frecvent scăzând într-un proces cunoscut sub numele de glisare . Ideea unei căderi de potențial pe un electrod de injecție a fost introdusă de William Shockley [1] pentru a explica diferența dintre rezultatele experimentale și modelul de canal care se apropie treptat. Pe lângă termenul ECR, sunt folosite și rezistența interfeței , rezistența la tranziție . Termenul de rezistență parazită este folosit ca un termen mai general, în care rezistența de contact este de obicei considerată a fi componenta principală.

Caracterizare experimentală

Aici este necesar să se facă distincția între evaluarea rezistenței de contact în sistemele cu două terminale (de exemplu, diode) și sistemele cu trei terminale (de exemplu, tranzistoare).

Pentru un circuit cu două contacte, rezistivitatea contactului este determinată experimental ca panta curbei IV la V = 0

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

unde J este densitatea curentului sau curentul pe unitate de suprafață. Prin urmare, unitățile de rezistivitate de contact sunt de obicei exprimate în ohmi pe metru pătrat sau . Când curentul este o funcție liniară a tensiunii, se spune că dispozitivul are contacte ohmice . $\Omega \cdot {\text{cm}}^{2}$

Rezistența de contact poate fi estimată aproximativ prin compararea rezultatelor unei măsurători cu patru terminale cu rezultatele unei măsurători simple la două terminale realizate cu un ohmmetru . În experimentul cu două terminale, curentul de testare provoacă o cădere de potențial atât pe cablurile de testare, cât și pe contacte, astfel încât rezistența acestor elemente este inseparabilă de rezistența dispozitivului real cu care sunt conectate în serie. Când se măsoară cu o sondă în patru puncte, se folosește o pereche de fire pentru a furniza curentul de măsurare, iar o a doua pereche de fire, paralelă cu prima, este utilizată pentru a măsura scăderea potențialului pe eșantion. În cazul a patru sonde, nu există o cădere de potențial pe firele de măsurare a tensiunii, deci scăderea rezistenței de contact nu este luată în considerare. Diferența dintre rezistența obținută cu metodele cu două și patru derivații este o măsurare rezonabil de precisă a rezistenței de contact, cu condiția ca rezistența plumbului să fie mult mai mică. Rezistența de contact specifică poate fi obținută prin înmulțirea cu aria de contact. De asemenea, trebuie remarcat faptul că rezistența de contact poate varia în funcție de temperatură.

În principiu, metodele inductive și capacitive pot fi utilizate pentru a măsura impedanța internă fără a complica rezistența de contact. În practică, metodele de curent continuu sunt mai frecvent utilizate pentru a determina rezistența .

Sistemele cu trei terminale, cum ar fi tranzistoarele, necesită metode mai sofisticate pentru aproximarea rezistenței de contact. Cea mai comună abordare este modelul de linie de transmisie (TLM). Aici, impedanța dispozitivului este afișată în funcție de lungimea canalului: $R_{\text{tot}}$

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

unde și sunt rezistența contactului și respectiv a canalului, lungimea/lățimea canalului, este capacitatea dielectricului de poartă (pe unitate de suprafață), este mobilitatea purtătorilor de curent și, de asemenea, sunt sursa-poarta și tensiuni dren-sursă. Prin urmare, extrapolarea liniară a impedanței la lungimea canalului zero dă rezistența de contact. Panta funcției liniare este legată de panta canalului și poate fi folosită pentru a estima mobilitatea purtătorilor „fără rezistență de contact”. Aproximațiile utilizate aici (scăderea potențialului liniar în regiunea canalului, rezistența constantă de contact și așa mai departe) conduc uneori la rezistența de contact dependentă de canal [2] . $R_{\text{c)}$ $R_{\text{ch})$ $L/W$ $C$ $\mu$ $V_{\text{gs)}$ $V_{\text{ds)}$

În plus față de TLM, au fost propuse o schemă de măsurare a porții cu patru terminale [3] și o metodă modificată a timpului de zbor (TOF) [4] . Metodele directe care permit măsurarea directă a căderii potențialului de-a lungul electrodului de injecție sunt microscopia cu forță cu sondă Kelvin (KFM) [5] și generarea de armonică secundă indusă de câmp electric [6] .

În industria semiconductoarelor, structurile de rezistență în punte încrucișată Kelvin (CBKR) sunt cele mai utilizate structuri de testare pentru caracterizarea contactelor metal-semiconductor în dispozitivele cu tehnologie plană VLSI . În timpul procesului de măsurare, se aplică un curent (I) între contactele 1 și 2 și se măsoară diferența de potențial dintre contactele 3 și 4. Rezistența de contact Rk poate fi apoi calculată ca [7] . $Rk=V34/I$

Mecanisme

Pentru proprietăți fizico-mecanice date ale unui material, parametrii care determină mărimea rezistenței electrice de contact (ECR) și modificarea acesteia la interfață sunt legați în primul rând de structura suprafeței și de sarcina aplicată ( mecanica contactului ) [8] . Suprafețele de contact metalice au, de obicei, un strat exterior de material oxid și molecule de apă adsorbite , rezultând joncțiuni de tip condensator pe crestele care contactează slab și contacte de tip rezistor pe crestele cu contact puternic, unde se aplică o presiune suficientă pentru a conduce crestele în stratul de oxid care formează un plasture de contact cu metal.metal. Dacă patch-ul de contact este suficient de mic, cu dimensiuni comparabile sau mai mici decât calea liberă medie a electronilor, rezistența în plasture poate fi descrisă folosind formula lui Sharvin , prin care transportul electronilor poate fi descris prin conducere balistică . De regulă, în timp, punctele de contact se extind, iar rezistența de contact la interfață, în special pe suprafețele slab în contact, scade ca urmare a sudării sub acțiunea curentului și a defalcării dielectricului. Acest proces este cunoscut și sub numele de fluaj rezistiv [9] . Evaluarea mecanică a fenomenelor ECR trebuie să țină cont de relația dintre chimia suprafeței , mecanica contactului și mecanismele de transfer de sarcină.

Limita cuantică

Când conductorul are dimensiuni spațiale apropiate de , unde este vectorul de undă Fermi în materialul conductor, legea lui Ohm nu mai este valabilă. Aceste dispozitive mici sunt numite contacte punctuale cuantice . Conductivitatea lor trebuie să fie un multiplu întreg al , unde este sarcina elementară și este constanta lui Planck . Contactele punctuale cuantice se comportă mai mult ca ghiduri de undă decât firele clasice în viața de zi cu zi și pot fi descrise de formalismul de împrăștiere Landauer [10] . Tunnelarea punctului de contact este o tehnică importantă pentru caracterizarea supraconductorilor . $2\pi /k_{\text{F}}$ $k_{\text{F}}$ $2e^{2}/h$ $e$ $h$

Alte forme de rezistență la contact

Măsurătorile conductivității termice depind și de rezistența de contact, care este deosebit de importantă atunci când se transferă căldură printr-un mediu granular. În mod similar, o scădere a presiunii hidrostatice (asemănătoare stresului electric ) are loc atunci când fluxul de fluid trece de la un canal la altul.

Semnificație

Contactele proaste cauzează defecțiuni sau performanțe slabe ale unei game largi de dispozitive electrice. De exemplu, clemele de cablu ruginite ale conectorului pot interfera cu încercările de a porni un vehicul cu o baterie descărcată . Contactele murdare sau ruginite de pe o siguranță sau un suport de siguranță pot da impresia falsă că siguranța este arsă. Rezistența de contact suficient de mare poate provoca încălzirea semnificativă a dispozitivului de curent ridicat. Contactele imprevizibile sau zgomotoase sunt o cauză majoră a defecțiunii echipamentelor electrice.

Note

↑ Shockley, William (septembrie 1964). „Cercetarea și investigarea tranzistoarelor de putere UHF epitaxiale inverse”. Raportul nr. A1-TOR-64-207.
↑ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). „Perspectivă asupra problemei rezistenței de contact prin sondarea directă a scăderii potențiale a tranzistorilor cu efect de câmp organic”. Litere de fizică aplicată . 97 (26): 263304. Bibcode : 2010ApPhL..97z3304W . DOI : 10.1063/1.3533020 .
↑ Pesavento, Paul V.; Chesterfield, Reid J.; Newman, Christopher R.; Frisbie, C. Daniel (2004). „Măsurători cu patru sonde pe tranzistoare pentacen cu peliculă subțire: rezistența de contact în funcție de tensiunea și temperatura porții.” Jurnalul de Fizică Aplicată . 96 (12): 7312. Bibcode : 2004JAP....96.7312P . DOI : 10.1063/1.1806533 .
↑ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). „Analiza curenților tranzitori în tranzistorul cu efect de câmp organic: metoda timpului de zbor”. Jurnalul de chimie fizică C. 113 (43): 18459. doi : 10.1021 /jp908381b .
↑ Burgi, L.; Sirringhaus, H.; Prieten, RH (2002). „Potențiometria fără contact a tranzistoarelor cu efect de câmp polimeric”. Litere de fizică aplicată . 80 (16): 2913. Bibcode : 2002ApPhL..80.2913B . DOI : 10.1063/1.1470702 .
↑ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). „Probarea injecției purtătorului în tranzistorul cu efect de câmp pentacen prin măsurare microscopică optică a doua armonică cu rezoluție în timp”. Jurnalul de Fizică Aplicată . 106 (1): 014511–014511–5. Cod biblic : 2009JAP ...106a4511N . DOI : 10.1063/1.3168434 .
↑ Stavitski, Natalie; Klootwijk, Johan H.; van Zeijl, Henk W.; Kovalgin, Alexey Y.; Wolters, Rob AM (februarie 2009). „Structuri de rezistențe Kelvin încrucișate pentru măsurarea fiabilă a rezistențelor de contact scăzute și caracterizarea interfeței de contact” . Tranzacții IEEE privind fabricarea semiconductorilor . 22 (1): 146-152. DOI : 10.1109/TSM.2008.2010746 . ISSN 0894-6507 . S2CID 111829 . Arhivat din original pe 04.05.2021 . Extras 2021-05-04 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwenaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang (decembrie 2016). „Comportamentul electro-mecanic interfacial la suprafețe rugoase” (PDF) . Scrisori de mecanică extremă . 9 (3): 422-429. DOI : 10.1016/j.eml.2016.03.021 . Arhivat (PDF) din original pe 2021-04-19 . Extras 2021-05-04 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian A.H.; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang (2015). „Rezistența de contact electrică dependentă de stres la suprafețele aspre fractale” . Jurnalul de mecanică inginerească . 143 (3): B4015001. DOI : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967 .
↑ Landauer, Rolf (august 1976). „Efectele de modulare a densității purtătorului spațial în conductivitatea metalică”. Analiza fizică B. 14 (4): 1474-1479. Cod biblic : 1976PhRvB..14.1474L . DOI : 10.1103/PhysRevB.14.1474 .

Literatură

Manual de contact Ney - Contacte electrice pentru utilizări cu energie redusă . -retipărire a I. — Deringer-Ney, inițial JM Ney Co., 2014. (link indisponibil)(NB. Descărcare gratuită după înregistrare.)
Contacte electrice: principii și aplicații. - 2. - CRC Press , Taylor & Francis, Inc. , 2014-02-12. — Vol. 105. - ISBN 978-1-43988130-9 .
Contacte electrice: teorie și aplicație. — retipărire a celei de-a 4-a revizuite. — Springer Science & Business Media , 29-06-2013. - ISBN 978-3-540-03875-7 . (NB. O rescrie a „ Manualului Contactelor electrice ”).
Manual Contacte electrice. — al 3-lea complet rescris. - Berlin / Göttingen / Heidelberg, Germania : Springer-Verlag , 1958. - ISBN 978-3-66223790-8 . [1] (NB. O rescrie și traducere a anterioarei „ Die technische Physik der elektrischen Kontakte ” (1941) în limba germană, care este disponibilă ca retipărire sub ISBN 978-3-662-42222-9 .)
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren : [] . - 3. - Berlin / Heidelberg / New York / Tokyo: Springer-Verlag , 2016. - ISBN 978-3-642-45426-4 .