Связаться с сопротивлением - Contact resistance

Период, термин Связаться с сопротивлением относится к вкладу в общую сопротивление системы, которую можно отнести к контактным интерфейсам электрические провода и соединения в отличие от внутреннего сопротивления. Этот эффект описывается термином сопротивление электрического контакта (ECR) и возникает в результате ограниченных площадей истинного контакта на границе раздела и наличия 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 А. Уильям Шокли^[1] объяснить разницу между экспериментальными результатами и моделью постепенного приближения канала. Помимо термина ECR, сопротивление интерфейса, переходное сопротивление, или просто срок исправления также используются. Период, термин паразитарное сопротивление используется как более общий термин, в котором обычно предполагается, что контактное сопротивление является основным компонентом.

Эскиз оценки контактного сопротивления методом ЛЭП.

Экспериментальная характеристика

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

Для двухэлектродных систем удельное контактное сопротивление экспериментально определяется как наклон I-V кривая в V = 0:

{displaystyle r_ {c} = left {{frac {partial V} {partial J}} ight} _ {V = 0}}

где J - плотность тока или ток на площадь. Поэтому единицы удельного сопротивления контакта обычно выражаются в омах на квадратный метр или ${displaystyle Omega cdot {ext {cm}} ^ {2}}$ . Когда ток является линейной функцией напряжения, говорят, что устройство имеет омические контакты.

Сопротивление контактов можно грубо оценить, сравнив результаты четырехполюсное измерение 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 фактического устройства, с которым они включены последовательно. При измерении с четырехточечным датчиком одна пара выводов используется для подачи измерительного тока, а вторая пара выводов, параллельная первому, 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.

Индуктивный и емкостной методы, в принципе, могут быть использованы для измерения внутренней сопротивление без усложнения контактного сопротивления. На практике, постоянный ток методы чаще используются для определения сопротивления.

Трехэлектродные системы, такие как транзисторы, требуют более сложных методов аппроксимации контактного сопротивления. Самый распространенный подход - это модель линии передачи (TLM). Здесь полное сопротивление устройства ${displaystyle R_ {ext {tot}}}$ отображается как функция длины канала:

{displaystyle R_ {ext {tot}} = R_ {ext {c}} + R_ {ext {ch}} = R_ {ext {c}} + {frac {L} {WCmu left (V_ {ext {gs}}) -V_ {ext {ds}} ight)}}}

где ${displaystyle R_ {ext {c}}}$ и ${displaystyle R_ {ext {ch}}}$ - сопротивление контакта и канала соответственно, ${displaystyle L / W}$ - длина / ширина канала, ${displaystyle C}$ - емкость изолятора затвора (на единицу площади), ${displaystyle mu}$ мобильность оператора связи, и ${displaystyle V_ {ext {gs}}}$ и ${displaystyle V_ {ext {ds}}}$ - напряжения затвор-исток и сток-исток. Следовательно, линейная экстраполяция полного сопротивления на нулевую длину канала дает сопротивление контакта. 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]

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

В полупроводниковой промышленности структуры с поперечно-мостовым резистором Кельвина (CBKR) являются наиболее часто используемыми тестовыми структурами для определения характеристик контактов металл-полупроводник в планарных устройствах технологии СБИС. 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 ${displaystyle Rk = V34 / I}$ .^[7]

Механизмы

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 структура поверхности и приложенная нагрузка (Контактная механика ).^[8] Поверхности металлических контактов обычно имеют внешний слой оксидного материала и адсорбированный молекулы воды, приводящие к переходам конденсаторного типа при слабом контакте неровности и контакты резисторного типа на сильно контактирующих неровностях, где прикладывают достаточное давление, чтобы неровности проникли в оксидный слой, образуя участки контакта металл-металл. Если пятно контакта достаточно маленькое, с размерами, сопоставимыми или меньшими, чем длина свободного пробега сопротивления электронов на пятне можно описать Механизм Шарвина, при этом перенос электронов можно описать как баллистическая проводимость. 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.^[9] Связь химия поверхности, контактная механика и механизмы переноса заряда необходимо учитывать при механистической оценке явлений ЭЦР.

Квантовый предел

Когда проводник имеет пространственные размеры, близкие к ${displaystyle 2pi / k_ {ext {F}}}$ , где ${displaystyle k_ {ext {F}}}$ является Волновой вектор Ферми проводящего материала, Закон Ома больше не держит. Эти маленькие устройства называются квантовые точечные контакты. Их проводимость должна быть целым числом, кратным значению ${displaystyle 2e ^ {2} / h}$ , где ${displaystyle e}$ это элементарный заряд и ${displaystyle h}$ является Постоянная планка. Квантовые точечные контакты ведут себя скорее как волноводы чем классические провода повседневной жизни и могут быть описаны Ландауэр формализм рассеяния.^[10] Контактная информация туннелирование это важный метод для характеристики сверхпроводники.

Другие формы контактного сопротивления

Измерения теплопроводность также подвержены контактному сопротивлению, что особенно важно при переносе тепла через гранулированную среду. Точно так же капля в гидростатическое давление (аналогично электрическому Напряжение ) происходит, когда поток жидкости переходы с одного канала на другой.

Значимость

Плохие контакты являются причиной выхода из строя или плохой работы самых разных электрических устройств. Например, корродированные соединительный кабель зажимы могут сорвать попытки начать средство передвижения что имеет низкий аккумулятор. Грязный или ржавый контакты на предохранитель или его держатель может создать ложное впечатление, что предохранитель перегорел. Достаточно высокое сопротивление контакта может привести к значительному обогрев в сильноточном устройстве. Непредсказуемые или шумные контакты - основная причина выхода из строя электрического оборудования.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Питни, Кеннет Э. (2014) [1973]. Руководство Ney Contact - Электрические контакты для энергосбережения (перепечатка 1-го изд.). Дерингер-Ней, первоначально JM Ney Co. КАК В 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; Holm, Else (29 июня 2013 г.) [1967]. Уильямсон, Дж. Б. П. (ред.). Электрические контакты: теория и применение (перепечатка 4-го переизд.). Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-03875-7. (NB. Переписывание более раннего "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. Перезапись и перевод более раннего "Die technische Physik der elektrischen Kontakte"(1941 г.) на немецком языке, который доступен в виде перепечатки на 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 г.). «Исследование и исследование инверсных эпитаксиальных силовых СВЧ транзисторов». Отчет № А1-ТОР-64-207. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)

[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. Дои: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 затвора и температуры». Журнал прикладной физики. 96 (12): 7312. Bibcode:2004JAP .... 96.7312P. Дои: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, Р. Х. (2002). «Бесконтактная потенциометрия полимерных полевых транзисторов». Письма по прикладной физике. 80 (16): 2913. Bibcode:2002АпФЛ..80.2913Б. Дои: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. Дои:10.1063/1.3168434.

[7] Ставицки, Натали; Klootwijk, Johan H .; van Zeijl, Henk W .; Ковальгин, Алексей Ю .; Уолтерс, Роб А. М. (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. Дои:10.1109 / TSM.2008.2010746. ISSN 0894-6507.

[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. Дои:10.1016 / j.eml.2016.03.021.

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

[Landauer_1976-10] Ландауэр, Рольф (август 1976). «Эффекты пространственной модуляции плотности носителей в металлической проводимости». Физический обзор B. 14 (4): 1474–1479. Bibcode:1976ПхРвБ..14.1474Л. Дои:10.1103 / PhysRevB.14.1474.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]