Kontaktmotstånd

Kontaktresistans är motståndet för en kontaktyta mellan olika material, till exempel en metall-halvledarkontakt. Kontaktresistans bidrar till systemets totala resistans , vilket kan hänföras till kontaktgränssnitten för elektriska ledningar och anslutningar, och inte till materialets inneboende resistans. Denna effekt i den engelskspråkiga litteraturen beskrivs av termen " elektrisk kontaktresistans" på engelska. elektrisk kontaktresistans ( ECR ) och är resultatet av de begränsade områdena av verklig kontakt vid gränssnittet och närvaron av resistiva ytfilmer eller oxidskikt. ECR kan ändras över tiden, oftast minskar i en process som kallas drag creep . Idén med ett potentialfall över en injektionselektrod introducerades av William Shockley [1] för att förklara skillnaden mellan experimentresultaten och den gradvis närmar sig kanalmodellen. Förutom begreppet ECR används även gränssnittsresistans , övergångsresistans . Termen parasitresistans används som en mer allmän term, där kontaktresistans vanligtvis antas vara huvudkomponenten.

Experimentell karakterisering

Här är det nödvändigt att skilja mellan utvärderingen av kontaktresistans i tvåterminalsystem (till exempel dioder) och treterminalsystem (till exempel transistorer).

För en tvåkontaktskrets bestäms kontaktresistiviteten experimentellt som lutningen för IV-kurvan vid V = 0

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

där J är strömtätheten eller strömmen per ytenhet. Därför uttrycks kontaktresistivitetsenheter vanligtvis i ohm per kvadratmeter eller . När ström är en linjär funktion av spänning, sägs enheten ha ohmska kontakter . $\Omega \cdot {\text{cm}}^{2}$

Kontaktresistans kan uppskattas grovt genom att jämföra resultaten av en fyrterminalsmätning med resultaten av en enkel tvåterminalsmätning gjord med en ohmmeter . I experimentet med två terminaler orsakar testströmmen ett potentialfall över både testledningarna och kontakterna, så att motståndet hos dessa element är oskiljaktigt från resistansen hos den faktiska enheten med vilken de är seriekopplade. Vid mätning med en fyrpunktssond används ett par ledningar för att tillföra mätströmmen, och ett andra par ledningar, parallellt med den första, används för att mäta potentialfallet över provet. I fallet med fyra prober finns det inget potentialfall på spänningsmätningsledningarna, så fallet i kontaktresistans tas inte med i beräkningen. Skillnaden mellan resistansen som erhålls med två och fyra ledningsmetoder är en någorlunda exakt mätning av kontaktresistans, förutsatt att ledningsresistansen är mycket mindre. Det specifika kontaktmotståndet kan erhållas genom att multiplicera med kontaktytan. Det bör också noteras att kontaktresistansen kan variera med temperaturen.

I princip kan induktiva och kapacitiva metoder användas för att mäta intern impedans utan att komplicera kontaktresistansen. I praktiken är likströmsmetoder vanligare för att bestämma resistans .

Treterminalsystem som transistorer kräver mer sofistikerade metoder för att approximera kontaktresistans. Det vanligaste tillvägagångssättet är transmissionslinjemodellen (TLM). Här visas enhetens impedans som en funktion av kanallängden: $R_{\text{tot))$

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

där och är resistansen för kontakten respektive kanalen, längden/bredden av kanalen, är kapacitansen för gate-dielektrikumet (per enhetsarea), är rörligheten för strömbärarna och är även grindkällan och drain-source spänningar. Därför ger linjär extrapolering av impedansen till noll kanallängd kontaktresistansen. Lutningen för den linjära funktionen är relaterad till kanalens lutning och kan användas för att uppskatta mobiliteten hos bärare "utan kontaktmotstånd". De approximationer som används här (linjärt potentialfall i kanalområdet, konstant kontaktresistans, och så vidare) leder ibland till kanalberoende kontaktresistans [2] . $R_{\text{c))$ $R_{\text{ch))$ $L/W$ $C$ $\mu$ $V_{\text{gs))$ $V_{\text{ds))$

Utöver TLM har ett fyra-terminals grindmätningsschema [3] och en modifierad tid-of-flight- metod (TOF) [4] föreslagits . Direkta metoder som tillåter direkt mätning av potentialfallet över injektionselektroden är Kelvin-sondkraftsmikroskopi (KFM) [5] och elektriskt fält-inducerad andra övertonsgenerering [6] .

I halvledarindustrin är Kelvin cross-bridge resistor (CBKR) strukturer de mest använda teststrukturerna för att karakterisera metall-halvledarkontakter i plana VLSI -teknologienheter . Under mätprocessen appliceras en ström (I) mellan kontakterna 1 och 2 och potentialskillnaden mellan kontakterna 3 och 4 mäts. Kontaktresistansen Rk kan då beräknas som [7] . $Rk=V34/I$

Mekanismer

För givna fysikalisk-mekaniska egenskaper hos ett material är parametrarna som bestämmer storleken på det elektriska kontaktmotståndet (ECR) och dess förändring vid gränssnittet i första hand relaterade till ytstrukturen och den applicerade belastningen ( kontaktmekanik ) [8] . Metallkontaktytor har typiskt ett yttre skikt av oxidmaterial och adsorberade vattenmolekyler, vilket resulterar i förbindelser av kondensatortyp på svagt kontaktande åsar och motståndskontakter på högkontaktande åsar där tillräckligt tryck appliceras för att driva åsarna in i oxidskiktet som bildar en metallkontaktplåster metall. Om kontaktlappen är tillräckligt liten, med dimensioner jämförbara med eller mindre än den genomsnittliga fria vägen för elektroner, kan resistansen i lappen beskrivas med Sharvins formel , varvid elektrontransport kan beskrivas med ballistisk ledning . Som regel expanderar kontaktfläckarna med tiden och kontaktmotståndet vid gränssnittet, särskilt på svagt kontaktande ytor, minskar som ett resultat av svetsning under inverkan av ström och genombrott av dielektrikumet. Denna process är också känd som resistiv krypning [9] . Den mekanistiska utvärderingen av ECR-fenomen måste ta hänsyn till förhållandet mellan ytkemi , kontaktmekanik och laddningsöverföringsmekanismer.

Kvantgränsen

När ledaren har rumsliga dimensioner nära , var är Fermi-vågsvektorn i det ledande materialet, gäller inte längre Ohms lag . Dessa små enheter kallas kvantpunktskontakter . Deras konduktivitet måste vara en heltalsmultipel av , där är den elementära laddningen och är Plancks konstant . Kvantpunktskontakter beter sig mer som vågledare än klassiska ledningar i vardagen och kan beskrivas av Landauers spridningsformalism [10] . Punktkontakttunneling är en viktig teknik för att karakterisera supraledare . $2\pi /k_{\text{F}}$ $k_{\text{F))$ $2e^{2}/h$ $e$ $h$

Andra former av kontaktmotstånd

Värmekonduktivitetsmätningar beror också på kontaktresistans, vilket är särskilt viktigt när värme överförs genom ett granulärt medium. På liknande sätt inträffar ett fall i hydrostatiskt tryck (liknande elektrisk stress ) när vätskeflödet passerar från en kanal till en annan.

Betydelse

Dåliga kontakter orsakar fel eller dålig prestanda hos en mängd olika elektriska apparater. Till exempel kan rostiga anslutningskabelklämmor störa försök att starta ett fordon med urladdat batteri . Smutsiga eller rostiga kontakter på en säkring eller säkringshållare kan ge ett felaktigt intryck av att säkringen har gått. Tillräckligt högt kontaktmotstånd kan orsaka betydande uppvärmning av högströmsanordningen. Oförutsägbara eller bullriga kontakter är en viktig orsak till fel på elektrisk utrustning.

Anteckningar

↑ Shockley, William (september 1964). "Forskning och undersökning av inversa epitaxiella UHF-effekttransistorer". Rapport nr. A1-TOR-64-207.
↑ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). "Insikt i kontaktresistansproblemet genom direkt sondering av det potentiella fallet i organiska fälteffekttransistorer". Bokstäver i tillämpad fysik . 97 (26): 263304. Bibcode : 2010ApPhL..97z3304W . DOI : 10.1063/1.3533020 .
↑ Pesavento, Paul V.; Chesterfield, Reid J.; Newman, Christopher R.; Frisbie, C. Daniel (2004). "Gated fyra-sondsmätningar på tunnfilmstransistorer av pentacen: kontaktresistans som en funktion av grindspänning och temperatur." Journal of Applied Physics . 96 (12): 7312. Bibcode : 2004JAP....96.7312P . DOI : 10.1063/1.1806533 .
↑ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Analys av transienta strömmar i organisk fälteffekttransistor: Time-of-Flight-metoden". Journal of Physical Chemistry C. 113 (43): 18459. doi : 10.1021 /jp908381b .
↑ Burgi, L.; Sirringhaus, H.; Friend, RH (2002). "Beröringsfri potentiometri för polymerfälteffekttransistorer". Bokstäver i tillämpad fysik . 80 (16): 2913. Bibcode : 2002ApPhL..80.2913B . DOI : 10.1063/1.1470702 .
↑ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Sondering av bärarinjektion i pentacenfälteffekttransistor genom tidsupplöst mikroskopisk optisk generering av andra övertonsmätning". Journal of Applied Physics . 106 (1): 014511–014511–5. Bibcode : 2009JAP...106a4511N . DOI : 10.1063/1.3168434 .
↑ Stavitski, Natalie; Klootwijk, Johan H.; van Zeijl, Henk W.; Kovalgin, Alexey Y.; Wolters, Rob AM (februari 2009). "Kelvin-motståndsstrukturer över broar för tillförlitlig mätning av låga kontaktmotstånd och karakterisering av kontaktgränssnitt" . IEEE-transaktioner på halvledartillverkning . 22 (1): 146-152. DOI : 10.1109/TSM.2008.2010746 . ISSN 0894-6507 . S2CID 111829 . Arkiverad från originalet 2021-05-04 . Hämtad 2021-05-04 . Utfasad parameter används |deadlink=( hjälp )
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwénaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang (december 2016). "Gränssnittets elektromekaniska beteende vid grova ytor" (PDF) . Extreme Mechanics Bokstäver . 9 (3): 422-429. DOI : 10.1016/j.eml.2016.03.021 . Arkiverad (PDF) från originalet 2021-04-19 . Hämtad 2021-05-04 . Utfasad parameter används |deadlink=( hjälp )
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian A.H.; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang (2015). "Stressberoende elektrisk kontaktresistans vid fraktala grova ytor" . Journal of Engineering Mechanics . 143 (3):B4015001. DOI : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967 .
↑ Landauer, Rolf (augusti 1976). "Spatial bärardensitetsmodulationseffekter i metallisk konduktivitet". Fysisk granskning B. 14 (4): 1474-1479. Bibcode : 1976PhRvB..14.1474L . DOI : 10.1103/PhysRevB.14.1474 .

Litteratur

Ney Contact Manual - Elektriska kontakter för lågenergianvändning . — nytryck av 1:a. — Deringer-Ney, ursprungligen JM Ney Co., 2014. (inte tillgänglig länk)(OBS. Gratis nedladdning efter registrering.)
Elektriska kontakter: principer och tillämpningar. - 2. - CRC Press , Taylor & Francis, Inc. , 2014-02-12. — Vol. 105. - ISBN 978-1-43988130-9 .
Elektriska kontakter: Teori och tillämpning. — nytryck av den 4:e reviderade. — Springer Science & Business Media , 2013-06-29. - ISBN 978-3-540-03875-7 . (OBS. En omskrivning av den tidigare " Elektriska kontakthandboken ".)
Handbok för elektriska kontakter. — 3:a helt omskriven. - Berlin / Göttingen / Heidelberg, Tyskland : Springer-Verlag , 1958. - ISBN 978-3-66223790-8 . [1] (OBS. En omskrivning och översättning av den tidigare " Die technische Physik der elektrischen Kontakte " (1941) på tyska, som finns tillgänglig som nytryck under 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 .