Resistencia de contacto

La resistencia de contacto es la resistencia de un área de contacto entre diferentes materiales, como un contacto metal-semiconductor. La resistencia de contacto contribuye a la resistencia total del sistema, que se puede atribuir a las interfaces de contacto de los cables y conexiones eléctricas, y no a la resistencia intrínseca del material. Este efecto en la literatura en idioma inglés se describe con el término " resistencia de contacto eléctrico" en inglés. resistencia de contacto eléctrico ( ECR ) y resulta de las áreas limitadas de verdadero contacto en la interfaz y la presencia de películas superficiales resistivas o capas de óxido. La ECR puede cambiar con el tiempo, más comúnmente disminuyendo en un proceso conocido como deslizamiento por arrastre . William Shockley [1] introdujo la idea de una caída de potencial a través de un electrodo de inyección para explicar la diferencia entre los resultados experimentales y el modelo de canal que se acerca gradualmente. Además del término ECR, también se utilizan resistencia de interfaz, resistencia de transición . El término resistencia parásita se utiliza como un término más general, en el que se suele suponer que la resistencia de contacto es el componente principal.

Caracterización experimental

Aquí es necesario distinguir entre la evaluación de la resistencia de contacto en sistemas de dos terminales (por ejemplo, diodos) y sistemas de tres terminales (por ejemplo, transistores).

Para un circuito de dos contactos, la resistividad de contacto se determina experimentalmente como la pendiente de la curva IV en V = 0

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

donde J es la densidad de corriente o corriente por unidad de área. Por lo tanto, las unidades de resistividad de contacto generalmente se expresan en ohmios por metro cuadrado o . Cuando la corriente es una función lineal del voltaje, se dice que el dispositivo tiene contactos óhmicos . $\Omega \cdot {\text{cm}}^{2}$

La resistencia de contacto se puede estimar aproximadamente comparando los resultados de una medición de cuatro terminales con los resultados de una medición simple de dos terminales realizada con un ohmímetro . En el experimento de dos terminales, la corriente de prueba 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 conectados en serie. Cuando se mide con una sonda de cuatro puntos, se usa un par de cables para suministrar la corriente de medición y un segundo par de cables, paralelo al primero, se usa para medir la caída de potencial a través de la muestra. En el caso de cuatro sondas, no hay caída de potencial en los hilos de medida de tensión, por lo que no se tiene en cuenta la caída de la resistencia de contacto. La diferencia entre la resistencia obtenida con los métodos de dos y cuatro conductores es una medida razonablemente precisa de la resistencia de contacto, siempre que la resistencia del conductor sea mucho menor. La resistencia de contacto específica se puede obtener multiplicando por el área de contacto. También debe tenerse en cuenta que la resistencia de contacto puede variar con la temperatura.

En principio, se pueden utilizar métodos inductivos y capacitivos para medir la impedancia interna sin complicar la resistencia de contacto. En la práctica, los métodos de corriente continua se usan más comúnmente para determinar la resistencia .

Los sistemas de tres terminales, como los transistores, requieren métodos más sofisticados para aproximar la resistencia de contacto. El enfoque más común es el modelo de línea de transmisión (TLM). Aquí, la impedancia del dispositivo se muestra en función de la longitud del canal: $R_{\text{total))$

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

donde y son la resistencia del contacto y el canal, respectivamente, la longitud/anchura del canal, es la capacitancia del dieléctrico de la puerta (por unidad de área), es la movilidad de los portadores de corriente y también son la puerta-fuente y voltajes drenaje-fuente. Por lo tanto, la extrapolación lineal de la impedancia a la longitud del canal cero da la resistencia de contacto. La pendiente de la función lineal está relacionada con la pendiente del canal y se puede utilizar para estimar la movilidad de los portadores "sin resistencia de contacto". Las aproximaciones utilizadas aquí (caída de potencial lineal en la región del canal, resistencia de contacto constante, etc.) a veces conducen a una resistencia de contacto dependiente del canal [2] . $R_{\text{c))$ $R_{\text{ch))$ ${\ estilo de visualización L/W}$ $C$ $\mu$ $V_{\text{gs))$ $V_{\text{ds))$

Además de TLM, se han propuesto un esquema de medición de puerta de cuatro terminales [3] y un método de tiempo de vuelo (TOF) modificado [4] . Los métodos directos que permiten la medición directa de la caída de potencial a través del electrodo de inyección son la microscopía de fuerza con sonda de Kelvin (KFM) [5] y la generación de segundo armónico inducida por campo eléctrico [6] .

En la industria de los semiconductores, las estructuras de resistencia de puente cruzado Kelvin (CBKR) son las estructuras de prueba más utilizadas para caracterizar los contactos metal-semiconductor en dispositivos de tecnología plana VLSI . Durante el proceso de medición, se aplica una corriente (I) entre los contactos 1 y 2 y se mide la diferencia de potencial entre los contactos 3 y 4. La resistencia de contacto Rk se puede calcular como [7] . $Rk=V34/I$

Mecanismos

Para determinadas propiedades físico-mecánicas de un material, los parámetros que determinan la magnitud de la resistencia eléctrica de contacto (ECR) y su cambio en la interfaz están relacionados principalmente con la estructura de la superficie y la carga aplicada ( mecánica de contacto ) [8] . Las superficies de contacto de metal suelen tener una capa exterior de material de óxido y moléculas de agua adsorbidas , lo que da como resultado uniones tipo condensador en crestas de contacto débil y contactos tipo resistencia en crestas de contacto alto donde se aplica suficiente presión para conducir las crestas hacia la capa de óxido formando una parche de contacto de metal. Si el parche de contacto es lo suficientemente pequeño, con dimensiones comparables o más pequeñas que el camino libre medio de los electrones, la resistencia en el parche se puede describir usando la fórmula de Sharvin , mediante la cual el transporte de electrones se puede describir por conducción balística . Como regla general, con el tiempo, los puntos de contacto se expanden y la resistencia de contacto en la interfaz, especialmente en superficies de contacto débil, disminuye como resultado de la soldadura bajo la acción de la corriente y la ruptura del dieléctrico. Este proceso también se conoce como fluencia resistiva [9] . La evaluación mecanicista de los fenómenos ECR debe tener en cuenta la relación de la química superficial , la mecánica de contacto y los mecanismos de transferencia de carga.

El límite cuántico

Cuando el conductor tiene dimensiones espaciales cercanas a , donde está el vector de onda de Fermi en el material conductor, la ley de Ohm ya no se cumple. Estos pequeños dispositivos se denominan contactos puntuales cuánticos . Su conductividad debe ser un múltiplo entero de , donde es la carga elemental y es la constante de Planck . Los contactos de puntos cuánticos se comportan más como guías de ondas que como cables clásicos en la vida cotidiana y pueden describirse mediante el formalismo de dispersión de Landauer [10] . La tunelización de puntos de contacto es una técnica importante para caracterizar superconductores . $2\pi /k_{\text{F}}$ $k_{\text{F))$ ${\ estilo de visualización 2e^{2}/h}$ $mi$ $h$

Otras formas de resistencia de contacto

Las mediciones de conductividad térmica también dependen de la resistencia de contacto, que es especialmente importante cuando se transfiere calor a través de un medio granular. De manera similar, se produce una caída en la presión hidrostática (similar al estrés eléctrico ) cuando el flujo de fluido pasa de un canal a otro.

Importancia

Los malos contactos provocan fallas o un rendimiento deficiente de una amplia variedad de dispositivos eléctricos. Por ejemplo, los clips de cable del conector oxidados pueden interferir con los intentos de arrancar un vehículo con una batería descargada . Los contactos sucios u oxidados en un fusible o portafusibles pueden dar la falsa impresión de que el fusible está fundido. Una resistencia de contacto suficientemente alta puede causar un calentamiento significativo del dispositivo de alta corriente. Los contactos impredecibles o ruidosos son una de las principales causas de fallas en los equipos eléctricos.

Notas

↑ Shockley, William (septiembre de 1964). “Investigación e investigación de transistores de potencia UHF epitaxiales inversos”. Reporte no. A1-TOR-64-207.
↑ Weis, Martín; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). "Información sobre el problema de la resistencia de contacto mediante el sondeo directo de la caída potencial en los transistores de efecto de campo orgánico". Letras de Física Aplicada . 97 (26): 263304. Bibcode : 2010ApPhL..97z3304W . DOI : 10.1063/1.3533020 .
↑ Pesavento, Pablo V.; Chesterfield, Reid J.; Newman, Christopher R.; Frisbie, C. Daniel (2004). "Mediciones de cuatro sondas cerradas en transistores de película delgada de pentaceno: resistencia de contacto en función del voltaje y la temperatura de la puerta". Revista de Física Aplicada . 96 (12): 7312. Código Bib : 2004JAP....96.7312P . DOI : 10.1063/1.1806533 .
↑ Weis, Martín; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Análisis de corrientes transitorias en transistores de efecto de campo orgánico: el método de tiempo de vuelo". Revista de Química Física C. 113 (43): 18459. doi : 10.1021 /jp908381b .
↑ Burgi, L.; Sirringhaus, H.; Amigo, RH (2002). “Potenciometría sin contacto de transistores de efecto de campo de polímeros”. Letras de Física Aplicada . 80 (16): 2913. Código Bib : 2002ApPhL..80.2913B . DOI : 10.1063/1.1470702 .
↑ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martín; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Inyección de portador de sondeo en transistor de efecto de campo de pentaceno mediante medición de generación de segundo armónico óptico microscópico con resolución de tiempo". Revista de Física Aplicada . 106 (1): 014511–014511–5. Código Bib : 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 la medición confiable de resistencias de contacto bajas y caracterización de la interfaz de contacto" . Transacciones IEEE sobre fabricación de semiconductores . 22 (1): 146-152. DOI : 10.1109/TSM.2008.2010746 . ISSN 0894-6507 . S2CID 111829 . Archivado desde el original el 4 de mayo de 2021 . Consultado el 04-05-2021 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
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Literatura

Manual Ney Contact - Contactos eléctricos para usos de baja energía . —reimpresión del 1er. — Deringer-Ney, originalmente JM Ney Co., 2014. (enlace no disponible)(NB. Descarga gratuita después del registro).
Contactos Eléctricos: Principios y Aplicaciones. - 2. - CRC Press , Taylor & Francis, Inc. , 2014-02-12. — vol. 105. - ISBN 978-1-43988130-9 .
Contactos Eléctricos: Teoría y Aplicación. — reimpresión de la 4ª revisada. — Springer Science & Business Media , 2013-06-29. - ISBN 978-3-540-03875-7 . (NB. Una reescritura del anterior " Manual de contactos eléctricos ").
Manual de contactos eléctricos. — 3º completamente reescrito. - Berlín/Göttingen/Heidelberg, Alemania: Springer-Verlag , 1958. - 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 bajo el ISBN 978-3-662-42222-9 ).
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren: [] . - 3. - Berlín / Heidelberg / Nueva York / Tokio: Springer-Verlag , 2016. - ISBN 978-3-642-45426-4 .