Контактное сопротивление

Электрическое контактное сопротивление (ECR или просто контактное сопротивление) — это сопротивление потоку электрического тока, вызванное неполным контактом поверхностей, по которым протекает ток, а также пленками или оксидными слоями на контактирующих поверхностях. Оно возникает в электрических соединениях, таких как переключатели, разъемы, выключатели, контакты и измерительные зонды. Значения контактного сопротивления обычно невелики (в диапазоне от микроома до миллиома).

Контактное сопротивление может вызывать значительные падения напряжения и нагревание в цепях с высоким током. Поскольку контактное сопротивление добавляется к собственному сопротивлению проводников, оно может вызывать значительные ошибки измерения, когда требуются точные значения сопротивления.

Контактное сопротивление может меняться в зависимости от температуры. Оно также может меняться со временем (чаще всего уменьшаясь) в процессе, известном как ползучесть сопротивления.

Электрическое контактное сопротивление также называется сопротивлением интерфейса, переходным сопротивлением или поправочным термином. Паразитное сопротивление — более общий термин, в котором обычно предполагается, что контактное сопротивление является основным компонентом.

Уильям Шокли ввел идею падения потенциала на инжекционном электроде для объяснения разницы между экспериментальными результатами и моделью постепенного приближения канала.

Методы измерения

Поскольку контактное сопротивление обычно сравнительно невелико, его измерение может быть затруднено, а четырехконтактное измерение дает лучшие результаты, чем простое двухконтактное измерение, выполненное с помощью омметра.

Удельное контактное сопротивление можно получить, умножив на площадь контакта.

Экспериментальная характеристика

Для экспериментальной характеристики необходимо провести различие между оценкой контактного сопротивления в двухэлектродных системах (например, диодах) и трехэлектродных системах (например, транзисторах).

В двухэлектродных системах удельное контактное сопротивление экспериментально определяется как наклон кривой ВАХ при V = 0:

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

где ${\displaystyle J}$ — плотность тока или ток на единицу площади. Единицы удельного контактного сопротивления обычно измеряются в ом-квадратный метр или Ω⋅м2. Когда ток является линейной функцией напряжения, говорят, что устройство имеет омические контакты.
Индуктивные и емкостные методы в принципе могут использоваться для измерения собственного импеданса без усложнения контактного сопротивления. На практике для определения сопротивления чаще используются методы постоянного тока.

Системы с тремя электродами, такие как транзисторы, требуют более сложных методов для аппроксимации контактного сопротивления. Наиболее распространенным подходом является модель линии передачи (TLM). Здесь полное сопротивление устройства ${\displaystyle R_{\text{tot}}}$ отображается в виде функции длины канала:

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

где ${\displaystyle R_{\text{c}}}$ и ${\displaystyle R_{\text{ch}}}$ — это сопротивления контакта и канала соответственно, ${\displaystyle L/W}$ — длина/ширина канала, ${\displaystyle C}$ — емкость затвора-изолятора (на единицу площади), ${\displaystyle \mu }$ — это мобильность носителей, а ${\displaystyle V_{\text{gs}}}$ и ${\displaystyle V_{\text{ds}}}$ — напряжения затвор-исток и сток-исток. Следовательно, линейная экстраполяция полного сопротивления к нулевой длине канала дает контактное сопротивление. Наклон линейной функции связан с крутизной канала и может быть использован для оценки подвижности носителей «без контактного сопротивления». Используемые здесь приближения (линейное падение потенциала в области канала, постоянное контактное сопротивление, …) иногда приводят к контактному сопротивлению, зависящему от канала.

Помимо TLM было предложено стробированное четырехзондовое измерение и модифицированный метод времени пролета (TOF). Прямыми методами, позволяющими измерять падение потенциала непосредственно на инжекционном электроде, являются зондовая силовая микроскопия Кельвина (KFM) и генерация второй гармоники, индуцированная электрическим полем.

В полупроводниковой промышленности структуры с мостовыми резисторами Кельвина (CBKR) являются наиболее используемыми тестовыми структурами для определения характеристик контактов металл-полупроводник в планарных устройствах технологии СБИС. В процессе измерения подайте ток (${\displaystyle I}$) между контактами 1 и 2 и измерьте разность потенциалов между контактами 3 и 4. Контактное сопротивление ${\displaystyle R_{\text{k}}}$ можно затем рассчитать как ${\displaystyle R_{\text{k}}=V_{34}/I}$ .

Механизмы

Для заданных физических и механических свойств материала параметры, которые управляют величиной электрического контактного сопротивления (ECR) и его изменением на границе раздела, в первую очередь связаны со структурой поверхности и приложенной нагрузкой (механика контакта). Поверхности металлических контактов обычно имеют внешний слой оксидного материала и адсорбированных молекул воды, что приводит к образованию соединений конденсаторного типа на слабо контактирующих неровностях и контактов резисторного типа на сильно контактирующих неровностях, где прикладывается достаточное давление для того, чтобы неровности проникали в оксидный слой, образуя пятна контакта металл-металл. Если пятно контакта достаточно мало, с размерами, сопоставимыми или меньшими, чем средняя длина свободного пробега электронов, сопротивление на пятне можно описать механизмом Шарвина, в соответствии с которым перенос электронов можно описать баллистической проводимостью. Как правило, со временем пятна контакта расширяются, а контактное сопротивление на границе раздела ослабевает, особенно на слабо контактирующих поверхностях, посредством сварки, вызванной током, и пробоя диэлектрика. Этот процесс также известен как ползучесть сопротивления. При механистической оценке явлений ECR необходимо учитывать связь химии поверхности, механики контакта и механизмов переноса заряда.

Квантовый предел

Когда проводник имеет пространственные размеры, близкие к ${\displaystyle 2\pi /k_{\text{F}}}$, где ${\displaystyle k_{\text{F}}}$ — волновой вектор Ферми проводящего материала, закон Ома больше не выполняется. Эти небольшие устройства называются квантовыми точечными контактами. Их проводимость должна быть целым кратным значению ${\displaystyle 2e^{2}/h}$, где ${\displaystyle e}$ — это элементарный заряд, а ${\displaystyle h}$ — постоянная Планка. Квантовые точечные контакты ведут себя скорее как волноводы, чем как классические провода повседневной жизни, и могут быть описаны формализмом рассеяния Ландауэра. Туннелирование точечных контактов является важным методом для характеристики сверхпроводников.

Другие формы контактного сопротивления

Измерения теплопроводности также зависят от контактного сопротивления, что имеет особое значение при переносе тепла через зернистые среды. Аналогично, падение гидростатического давления (аналогично электрическому напряжению) происходит при переходе потока жидкости из одного канала в другой.

Значение

Плохие контакты являются причиной поломок или плохой работы самых разных электрических устройств. Например, проржавевшие 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 существенный нагрев сильноточного устройства. Непредсказуемые или шумные контакты являются основной причиной выхода из строя электрооборудования.