El término resistencia de contacto se refiere a la contribución a la resistencia total de un sistema que se puede atribuir a las interfaces de contacto de los cables y conexiones eléctricas en oposición a la resistencia intrínseca. Este efecto se describe con el término resistencia de contacto eléctrico ( ECR ) y surge como resultado de las áreas limitadas de contacto verdadero en una interfaz y la presencia de películas superficiales resistivas o capas de óxido. La ECR puede variar con el tiempo, la mayoría de las veces disminuyendo, en un proceso conocido como fluencia de resistencia . La idea de caída de potencial en el electrodo de inyección fue introducida por William Shockley [1].explicar la diferencia entre los resultados experimentales y el modelo de aproximación gradual del canal. Además de la ECR plazo, resistencia a la interfaz , la resistencia de transición , o simplemente término de corrección también se utilizan. El término resistencia parasitaria se usa como un término más general, del cual generalmente se asume que la resistencia de contacto es un componente principal.
Caracterización experimental
Aquí tenemos que distinguir la evaluación de la resistencia de contacto en sistemas de dos electrodos (por ejemplo, diodos) y sistemas de tres electrodos (por ejemplo, transistores).
Para sistemas de dos electrodos, la resistividad de contacto específica se define experimentalmente como la pendiente de la curva IV en V = 0 :
donde J es la densidad de corriente, o corriente por área. Por lo tanto, las unidades de resistividad de contacto específica son típicamente en ohmios-metro cuadrado, o. Cuando la corriente es una función lineal del voltaje, se dice que el dispositivo tiene contactos óhmicos .
La resistencia de los contactos se puede estimar crudamente comparando los resultados de una medición de cuatro terminales con una medición simple de dos cables realizada con un ohmímetro. En un experimento de dos cables, la corriente de medición provoca una caída de potencial tanto en los cables de prueba como en los contactos, de modo que la resistencia de estos elementos es inseparable de la resistencia del dispositivo real, con el que están en serie. En una medición de sonda de cuatro puntos, se usa un par de cables para inyectar la corriente de medición, mientras que un segundo par de cables, en paralelo con el primero, se usa para medir la caída de potencial a través del dispositivo. En el caso de cuatro sondas, no hay caída de potencial a través de los cables de medición de voltaje, por lo que no se incluye la caída de resistencia de contacto. La diferencia entre la resistencia derivada de los métodos de dos y cuatro conductores es una medida razonablemente precisa de la resistencia de contacto, asumiendo que la resistencia de los conductores es mucho menor. La resistencia de contacto específica se puede obtener multiplicando por área de contacto. También debe tenerse en cuenta que la resistencia de contacto puede variar con la temperatura.
Los métodos inductivos y capacitivos podrían usarse en principio para medir una impedancia intrínseca sin la complicación de la resistencia de contacto. En la práctica, los métodos de corriente continua se utilizan más típicamente para determinar la resistencia.
Los tres sistemas de electrodos, como los transistores, requieren métodos más complicados para la aproximación de la resistencia de contacto. El enfoque más común es el modelo de línea de transmisión (TLM). Aquí, la resistencia total del dispositivo se representa en función de la longitud del canal:
dónde y son resistencias de contacto y de canal, respectivamente, es la longitud / ancho del canal, es la capacitancia del aislador de la puerta (por unidad de área), es la movilidad del portador, y y son voltajes de fuente de compuerta y fuente de drenaje. Por lo tanto, la extrapolación lineal de la resistencia total a la longitud del canal cero proporciona la resistencia de contacto. La pendiente de la función lineal está relacionada con la transconductancia del canal y se puede utilizar para estimar la movilidad de la portadora "sin resistencia de contacto". Las aproximaciones utilizadas aquí (caída de potencial lineal a través de la región del canal, resistencia de contacto constante,…) conducen a veces a la resistencia de contacto dependiente del canal. [2]
Además del TLM, se propuso la medición de cuatro sondas con compuerta [3] y el método de tiempo de vuelo modificado (TOF). [4] Los métodos directos capaces de medir la caída de potencial en el electrodo de inyección directamente son la microscopía de fuerza de la sonda Kelvin (KFM) [5] y la segunda generación de armónicos inducida por campo eléctrico. [6]
En la industria de los semiconductores, las estructuras de resistencia Kelvin de puente cruzado (CBKR) son las estructuras de prueba más utilizadas para caracterizar los contactos de semiconductores de metal en los dispositivos Planar de la tecnología VLSI. Durante el proceso de medición, fuerce la corriente (I) entre los contactos 1 y 2 y mida la diferencia potencial entre los contactos 3 y 4. La resistencia de contacto Rk se puede calcular como. [7]
Mecanismos
Para determinadas propiedades físicas y mecánicas del material, los parámetros que gobiernan la magnitud de la resistencia de contacto eléctrico (ECR) y su variación en una interfaz se relacionan principalmente con la estructura de la superficie y la carga aplicada ( Mecánica de contacto ). [8] Las superficies de los contactos metálicos generalmente exhiben una capa externa de material de óxido y moléculas de agua adsorbidas , que conducen a uniones de tipo condensador en asperezas en contacto débil y contactos de tipo resistor en asperezas en contacto fuerte, donde se aplica suficiente presión para que las asperezas penetren en la superficie. capa de óxido, formando parches de contacto de metal a metal. Si un parche de contacto es suficientemente pequeño, con dimensiones comparables o más pequeñas que la trayectoria libre media de los electrones, la resistencia en el parche puede describirse mediante el mecanismo de Sharvin , mediante el cual el transporte de electrones puede describirse por conducción balística . Generalmente, con el tiempo, los parches de contacto se expanden y la resistencia de contacto en una interfaz se relaja, particularmente en superficies de contacto débil, a través de soldadura inducida por corriente y ruptura dieléctrica. Este proceso también se conoce como fluencia de resistencia. [9] El acoplamiento de la química de la superficie , la mecánica de contacto y los mecanismos de transporte de carga deben considerarse en la evaluación mecanicista de los fenómenos de ECR.
Límite cuántico
Cuando un conductor tiene dimensiones espaciales cercanas a , dónde es el vector de onda de Fermi del material conductor, la ley de Ohm ya no se cumple. Estos pequeños dispositivos se denominan contactos de punto cuántico . Su conductancia debe ser un múltiplo entero del valor, dónde es la carga elemental yes la constante de Planck . Los contactos de puntos cuánticos se comportan más como guías de ondas que los cables clásicos de la vida cotidiana y pueden describirse mediante el formalismo de dispersión de Landauer . [10] La tunelización por puntos de contacto es una técnica importante para caracterizar superconductores .
Otras formas de resistencia al contacto
Las mediciones de conductividad térmica también están sujetas a la resistencia de contacto, con especial importancia en el transporte de calor a través de medios granulares. De manera similar, se produce una caída en la presión hidrostática (análoga al voltaje eléctrico ) cuando el flujo de fluido pasa de un canal a otro.
Significado
Los malos contactos son la causa de fallas o rendimiento deficiente en una amplia variedad de dispositivos eléctricos. Por ejemplo, las abrazaderas de cables de puente corroídas pueden frustrar los intentos de arrancar un vehículo que tiene poca batería . Los contactos sucios o corroídos en un fusible o en su soporte pueden dar la falsa impresión de que el fusible está fundido. Una resistencia de contacto suficientemente alta puede provocar un calentamiento sustancial en un dispositivo de alta corriente. Los contactos impredecibles o ruidosos son una de las principales causas de falla de los equipos eléctricos.
Ver también
- Limpiador de contactos
- Corriente humectante
- Voltaje de humectación
Referencias
- ^ Shockley, William (septiembre de 1964). "Investigación e investigación de transistores de potencia UHF epitaxiales inversos". Informe No. A1-TOR-64-207. Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). "Conocimiento del problema de la resistencia de contacto mediante sondeo directo de la caída potencial en transistores de efecto de campo orgánico". Letras de Física Aplicada . 97 (26): 263304. Código bibliográfico : 2010ApPhL..97z3304W . doi : 10.1063 / 1.3533020 .
- ^ Pesavento, Paul V .; Chesterfield, Reid J .; Newman, Christopher R .; Frisbie, C. Daniel (2004). "Medidas de cuatro sondas con compuerta en transistores de película delgada de pentaceno: resistencia de contacto en función del voltaje y la temperatura de la compuerta". Revista de Física Aplicada . 96 (12): 7312. Bibcode : 2004JAP .... 96.7312P . doi : 10.1063 / 1.1806533 .
- ^ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Análisis de corrientes transitorias en transistor de efecto de campo orgánico: el método de tiempo de vuelo". Journal of Physical Chemistry C . 113 (43): 18459. doi : 10.1021 / jp908381b .
- ^ Bürgi, L .; Sirringhaus, H .; Amigo, RH (2002). "Potenciometría sin contacto de transistores de efecto de campo de polímero". Letras de Física Aplicada . 80 (16): 2913. Código Bibliográfico : 2002ApPhL..80.2913B . doi : 10.1063 / 1.1470702 .
- ^ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Inyección de portador de sonda en transistor de efecto de campo pentaceno por medición de generación de segundo armónico óptico microscópico resuelto en el tiempo". Revista de Física Aplicada . 106 (1): 014511–014511–5. Código Bibliográfico : 2009JAP ... 106a4511N . doi : 10.1063 / 1.3168434 .
- ^ Stavitski, Natalie; Klootwijk, Johan H .; van Zeijl, Henk W .; Kovalgin, Alexey Y .; Wolters, Rob AM (febrero de 2009). "Estructuras de resistencia Kelvin de puente cruzado para medición confiable de resistencias de contacto bajas y caracterización de interfaz de contacto" . Transacciones IEEE sobre fabricación de semiconductores . 22 (1): 146-152. doi : 10.1109 / TSM.2008.2010746 . ISSN 0894-6507 . S2CID 111829 .
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- ^ Landauer, Rolf (agosto de 1976). "Efectos de modulación de densidad de portadora espacial en conductividad metálica". Physical Review B . 14 (4): 1474–1479. Código Bibliográfico : 1976PhRvB..14.1474L . doi : 10.1103 / PhysRevB.14.1474 .
Otras lecturas
- Pitney, Kenneth E. (2014) [1973]. Ney Contact Manual - Contactos eléctricos para usos de baja energía (reimpresión de la 1ª ed.). Deringer-Ney, originalmente JM Ney Co. ASIN B0006CB8BC .[ enlace muerto permanente ] (NB. Descarga gratuita después del registro).
- Slade, Paul G. (12 de febrero de 2014) [1999]. Contactos eléctricos: principios y aplicaciones . Ingeniería Eléctrica e Informática . Ingeniería eléctrica y electrónica. 105 (2 ed.). CRC Press , Taylor & Francis, Inc. ISBN 978-1-43988130-9.
- Holm, Ragnar ; Holm, Else (29 de junio de 2013) [1967]. Williamson, JBP (ed.). Contactos eléctricos: teoría y aplicación (reimpresión de la cuarta edición revisada). Springer Science & Business Media . ISBN 978-3-540-03875-7.(NB. Una reescritura del " Manual de contactos eléctricos " anterior .)
- Holm, Ragnar ; Holm, Else (1958). Manual de contactos eléctricos (tercera edición completamente reescrita). Berlín / Göttingen / Heidelberg, Alemania: Springer-Verlag . ISBN 978-3-66223790-8. [1] (NB. Una reescritura y traducción del anterior " Die technische Physik der elektrischen Kontakte " (1941) en idioma alemán, que está disponible como reimpresión en ISBN 978-3-662-42222-9 .)
- Huck, Manfred; Walczuk, Eugeniucz; Buresch, Isabell; Weiser, Josef; Borchert, Lothar; Faber, Manfred; Bahrs, Willy; Saeger, Karl E .; Imm, Reinhard; Behrens, Volker; Heber, Jochen; Großmann, Hermann; Streuli, Max; Schuler, Peter; Heinzel, Helmut; Harmsen, Ulf; Györy, Imre; Ganz, Joachim; Horn, Jochen; Kaspar, Franz; Lindmayer, Manfred; Berger, Frank; Baujan, Guenter; Kriechel, Ralph; Wolf, Johann; Schreiner, Günter; Schröther, Gerhard; Maute, Uwe; Linnemann, Hartmut; Thar, Ralph; Möller, Wolfgang; Rieder, Werner; Kaminski, Jan; Popa, Heinz-Erich; Schneider, Karl-Heinz; Bolz, Jakob; Vermij, L .; Mayer, Ursula (2016) [1984]. Vinaricky, Eduard; Schröder, Karl-Heinz; Weiser, Josef; Keil, Albert; Merl, Wilhelm A .; Meyer, Carl-Ludwig (eds.). Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren (en alemán) (3 ed.). Berlín / Heidelberg / Nueva York / Tokio: Springer-Verlag . ISBN 978-3-642-45426-4.