Érintkezési ellenállás

Az érintkezési ellenállás a különböző anyagok közötti érintkezési felület ellenállása, például fém-félvezető érintkező. Az érintkezési ellenállás hozzájárul a rendszer teljes ellenállásához , amely az elektromos vezetékek és csatlakozások érintkezési felületeinek tulajdonítható , nem pedig az anyag belső ellenállásának. Ezt a hatást az angol nyelvű szakirodalom az " elektromos érintkezési ellenállás" kifejezéssel írja le angolul. elektromos érintkezési ellenállás ( ECR ), és az interfészen a valós érintkezés korlátozott területeiből és a rezisztív felületi filmek vagy oxidrétegek jelenlétéből ered. Az ECR idővel változhat, leggyakrabban csökkenhet a drag creep néven ismert folyamat során . Az injekciós elektródán átívelő potenciálesés ötletét William Shockley [1] vezette be, hogy megmagyarázza a kísérleti eredmények és a fokozatosan közeledő csatornamodell közötti különbséget. Az ECR kifejezésen kívül interfész ellenállás , átmeneti ellenállás is használatos . A parazita rezisztencia kifejezést általánosabb kifejezésként használják, amelyben általában az érintkezési ellenállást feltételezik a fő komponensnek.

Kísérleti jellemzés

Itt különbséget kell tenni az érintkezési ellenállás értékelése között kétterminális rendszerekben (például diódák) és háromterminális rendszerekben (például tranzisztorok).

Kétérintkezős áramkör esetén az érintkezési ellenállást kísérletileg a IV. görbe meredekségeként határozzuk meg V = 0 -nál.

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

ahol J az áramsűrűség vagy az egységnyi területre eső áram. Ezért az érintkezési ellenállás mértékegységeit általában ohm per négyzetméter vagy . Ha az áram a feszültség lineáris függvénye, az eszköz ohmos érintkezőkkel rendelkezik . $\Omega \cdot {\text{cm}}^{2}$

Az érintkezési ellenállás durván megbecsülhető, ha összehasonlítjuk egy négypólusú mérés eredményeit egy ohmmérővel végzett egyszerű, kétpólusú mérés eredményeivel . A kétpólusú kísérletben a tesztáram potenciálesést okoz mind a mérővezetékeken, mind az érintkezőkön, így ezen elemek ellenállása elválaszthatatlan annak a tényleges eszköznek az ellenállásától, amellyel sorba vannak kapcsolva. Négypontos szondával történő méréskor egy pár vezetéket használnak a mérőáram biztosítására, és egy második vezetékpárt, párhuzamosan az elsővel, mérik a potenciálesést a mintán. Négy szonda esetén nincs potenciálesés a feszültségmérő vezetékeken, így az érintkezési ellenállás esését nem vesszük figyelembe. A két és négy vezetékes módszerrel kapott ellenállás különbsége az érintkezési ellenállás ésszerűen pontos mérése, feltéve, hogy az ólomellenállás sokkal kisebb. A fajlagos érintkezési ellenállást az érintkezési felület szorzásával kaphatjuk meg. Azt is meg kell jegyezni, hogy az érintkezési ellenállás a hőmérséklet függvényében változhat.

A belső impedancia mérésére elvileg induktív és kapacitív módszerekkel is lehet mérni az érintkezési ellenállás bonyolítása nélkül. A gyakorlatban az egyenáramú módszereket gyakrabban használják az ellenállás meghatározására .

A háromterminális rendszerek, például a tranzisztorok kifinomultabb módszereket igényelnek az érintkezési ellenállás közelítésére. A leggyakoribb megközelítés az átviteli vonali modell (TLM). Itt az eszköz impedanciája jelenik meg a csatorna hosszának függvényében: $R_{\text{tot))$

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

ahol és az érintkező és a csatorna ellenállása, a csatorna hossza/szélessége, a kapu dielektrikum kapacitása (területegységre vetítve), az áramhordozók mobilitása , valamint a kapuforrás és a lefolyóforrás feszültségei. Ezért az impedancia nulla csatornahosszra történő lineáris extrapolációja adja az érintkezési ellenállást. A lineáris függvény meredeksége összefügg a csatorna meredekségével, és felhasználható a hordozók mobilitásának becslésére "érintkezési ellenállás nélkül". Az itt használt közelítések (lineáris potenciálesés a csatornatartományban, állandó érintkezési ellenállás stb.) néha csatornafüggő érintkezési ellenálláshoz vezetnek [2] . $R_{\text{c))$ $R_{\text{ch))$ $L/W$ $C$ $\mu$ $V_{\text{gs))$ $V_{\text{ds))$

A TLM mellett egy négyterminális kapu mérési sémát [3] és egy módosított repülési idő (TOF) módszert [4] javasoltak . A közvetlen módszerek, amelyek lehetővé teszik a potenciálesés közvetlen mérését az injektáló elektródán, a Kelvin-szonda erőmikroszkópia (KFM) [5] és az elektromos tér által indukált második harmonikus generáció [6] .

A félvezetőiparban a Kelvin kereszthíd-ellenállás (CBKR) szerkezetek a leggyakrabban használt tesztszerkezetek a fém-félvezető érintkezők jellemzésére a sík VLSI technológiás eszközökben . A mérési folyamat során az 1. és 2. érintkezők között áramot (I) vezetünk, és megmérjük a 3. és 4. érintkezők közötti potenciálkülönbséget, majd az Rk érintkezési ellenállást a következőképpen számíthatjuk ki: [7] . $Rk=V34/I$

Mechanizmusok

Egy anyag adott fizikai-mechanikai tulajdonságainál az elektromos érintkezési ellenállás (ECR) nagyságát és határfelületi változását meghatározó paraméterek elsősorban a felületszerkezettel és az alkalmazott terheléssel ( kontaktmechanika ) kapcsolódnak [8] . A fém érintkező felületek jellemzően oxidanyagból és adszorbeált vízmolekulákból álló külső réteggel rendelkeznek, ami kondenzátor típusú csatlakozásokat eredményez a gyengén érintkező bordákon és ellenállás típusú érintkezőket erősen érintkező bordákon, ahol elegendő nyomást gyakorolnak a bordák az oxidrétegbe való behajtására fém érintkező tapasz fém. Ha az érintkezési folt elég kicsi, méretei összehasonlíthatók vagy kisebbek az elektronok átlagos szabad útjával , akkor a folt ellenállása leírható a Sharvin-képlet segítségével, ahol az elektrontranszport ballisztikus vezetéssel írható le . Általában az idő múlásával az érintkezési pontok kitágulnak, és az érintkezési ellenállás a határfelületen, különösen a gyengén érintkező felületeken, csökken az áram hatására végzett hegesztés és a dielektrikum meghibásodása következtében. Ezt a folyamatot rezisztív kúszásnak is nevezik [9] . Az ECR jelenségek mechanikai értékelésénél figyelembe kell venni a felületi kémia , az érintkezési mechanika és a töltésátviteli mechanizmusok kapcsolatát.

A kvantumhatár

Ha a vezető térbeli méretei közel vannak , hol van a Fermi-hullámvektor a vezető anyagban, Ohm törvénye már nem érvényes. Ezeket a kis eszközöket kvantumpont érintkezőknek nevezzük . Vezetőképességüknek egész számú többszörösének kell lennie , ahol az elemi töltés és a Planck -állandó . A kvantumpontérintkezők a mindennapi életben inkább hullámvezetőként , mint klasszikus huzalként viselkednek, és a Landauer -féle szórási formalizmussal írhatók le [10] . A pontérintkező alagút a szupravezetők jellemzésének fontos technikája . $2\pi /k_{\text{F))$ $k_{\text{F))$ $2e^{2}/h$ $e$ $h$

Az érintkezési ellenállás egyéb formái

A hővezető képesség mérése az érintkezési ellenállástól is függ, ami különösen fontos szemcsés közegen keresztül történő hőátvitel esetén. Hasonlóképpen, a hidrosztatikus nyomás csökkenése (hasonlóan az elektromos feszültséghez ) akkor következik be, amikor a folyadékáramlás egyik csatornából a másikba megy át.

Jelentősége

A rossz érintkezők sokféle elektromos eszköz meghibásodását vagy gyenge teljesítményét okozzák. Például a rozsdás csatlakozó kábelkapcsok megzavarhatják a lemerült akkumulátorral rendelkező jármű indítását . A biztosítékon vagy biztosítéktartón lévő piszkos vagy rozsdás érintkezők azt a hamis benyomást kelthetik, hogy a biztosíték kiégett. A kellően nagy érintkezési ellenállás a nagyáramú készülék jelentős felmelegedését okozhatja . A kiszámíthatatlan vagy zajos érintkezők az elektromos berendezések meghibásodásának fő okai.

Jegyzetek

↑ Shockley, William (1964. szeptember). „Inverz epitaxiális UHF teljesítménytranzisztorok kutatása és vizsgálata”. számú jelentés A1-TOR-64-207.
↑ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). „Betekintés az érintkezési ellenállás problémájába a szerves térhatású tranzisztorok potenciálcsökkenésének közvetlen vizsgálatával”. Alkalmazott fizika betűi . 97 (26): 263304. Bibcode : 2010ApPhL..97z3304W . DOI : 10.1063/1.3533020 .
↑ Pesavento, V. Pál; Chesterfield, Reid J.; Newman, Christopher R.; Frisbie, C. Daniel (2004). "Kapuzott négyszondás mérések pentacén vékonyréteg-tranzisztorokon: Az érintkezési ellenállás a kapufeszültség és a hőmérséklet függvényében." 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). „Tranziens áramok elemzése szerves térhatású tranzisztorban: A repülési idő módszere”. Journal of Physical Chemistry C. 113 (43): 18459. doi : 10,1021 /jp908381b .
↑ Burgi, L.; Sirringhaus, H.; Barát, RH (2002). „Polimer térhatású tranzisztorok érintésmentes potenciometriája”. Alkalmazott fizika betűi . 80 (16) : 2913. Bibcode : 2002ApPhL..80.2913B . DOI : 10.1063/1.1470702 .
↑ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). „A hordozó befecskendezése pentacén térhatású tranzisztorba időfelbontású mikroszkópos optikai második harmonikusgenerációs méréssel”. Journal of Applied Physics . 106 (1): 014511–014511–5. Irodai kód : 2009JAP...106a4511N . DOI : 10.1063/1.3168434 .
↑ Stavitski, Natalie; Klootwijk, Johan H.; van Zeijl, Henk W.; Kovalgin, Alekszej Y.; Wolters, Rob AM (2009. február). „Kereszthíd Kelvin-ellenállás-szerkezetek az alacsony érintkezési ellenállások megbízható mérésére és az érintkezőfelületek jellemzésére” . IEEE-tranzakciók a félvezetőgyártással kapcsolatban . 22 (1): 146-152. DOI : 10.1109/TSM.2008.2010746 . ISSN 0894-6507 . S2CID 111829 . Archiválva az eredetiből, ekkor: 2021-05-04 . Letöltve: 2021-05-04 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwénaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang (2016. december). „Interfacial elektromechanikus viselkedés durva felületeken” (PDF) . Extreme Mechanics Letters . 9 (3): 422-429. DOI : 10.1016/j.eml.2016.03.021 . Archivált (PDF) az eredetiből ekkor: 2021-04-19 . Letöltve: 2021-05-04 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian A.H.; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang (2015). "Stresszfüggő elektromos érintkezési ellenállás fraktál durva felületeken" . Journal of Engineering Mechanics . 143 (3):B4015001. DOI : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967 .
↑ Landauer, Rolf (1976. augusztus). „Térbeli vivősűrűség-modulációs hatások a fémes vezetőképességben”. Fizikai áttekintés B. 14 (4): 1474-1479. Irodai kód : 1976PhRvB..14.1474L . DOI : 10.1103/PhysRevB.14.1474 .

Irodalom

Ney Contact Manual – Elektromos érintkezők alacsony energiafogyasztású alkalmazásokhoz . — 1. reprint. — Deringer-Ney, eredetileg JM Ney Co., 2014. (nem elérhető link)(Megjegyzés. Ingyenes letöltés regisztráció után.)
Elektromos érintkezők: alapelvek és alkalmazások. - 2. - CRC Press , Taylor & Francis, Inc. , 2014-02-12. — Vol. 105. - ISBN 978-1-43988130-9 .
Elektromos érintkezők: elmélet és alkalmazás. — a 4. átdolgozott reprint. — Springer Science & Business Media , 2013-06-29. - ISBN 978-3-540-03875-7 . (Megjegyzés. A korábbi " Elektromos érintkezők kézikönyve " újraírása.)
Elektromos érintkezők kézikönyve. — 3. teljesen átírva. - Berlin / Göttingen / Heidelberg, Németország : Springer-Verlag , 1958. - ISBN 978-3-66223790-8 . [1] (Megjegyzés. A korábbi " Die technische Physik der elektrischen Kontakte " (1941) német nyelvű átírása és fordítása, amely utánnyomásként az ISBN 978-3-662-42222-9 alatt érhető el .)
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren : [] . - 3. - Berlin / Heidelberg / New York / Tokió: Springer-Verlag , 2016. - ISBN 978-3-642-45426-4 .