Kosketusvastus

Kosketusresistanssi on eri materiaalien välisen kosketusalueen resistanssi, kuten metalli-puolijohdekosketin. Kosketusresistanssi vaikuttaa järjestelmän kokonaisresistanssiin , joka voidaan katsoa johtuvan sähköjohtojen ja liitäntöjen kosketusliitännöistä, ei materiaalin ominaisresistanssista . Tätä vaikutusta englanninkielisessä kirjallisuudessa kuvataan termillä " sähkökontaktivastus" englanniksi. sähkökosketusresistanssi ( ECR ) ja johtuu rajapinnan rajallisista todellisen kosketuksen alueista ja resistiivisten pintakalvojen tai oksidikerrosten läsnäolosta. ECR voi muuttua ajan myötä, yleisimmin pienentyen prosessissa, joka tunnetaan nimellä drag creep . William Shockley [1] esitteli ajatuksen potentiaalin pudotuksesta injektioelektrodin yli selittääkseen eron kokeellisten tulosten ja vähitellen lähestyvän kanavamallin välillä. Termin ECR lisäksi käytetään myös rajapintaresistanssia , siirtymäresistanssia . Termiä loisresistanssi käytetään yleisemmällä termillä, jossa kosketusresistanssin oletetaan yleensä olevan pääkomponentti.

Kokeellinen karakterisointi

Tässä on tarpeen erottaa kosketusresistanssin arviointi kaksinapaisissa järjestelmissä (esimerkiksi diodit) ja kolminapaisissa järjestelmissä (esimerkiksi transistorit).

Kaksikosketinpiirissä koskettimen ominaisvastus määritetään kokeellisesti IV-käyrän kaltevuudeksi, kun V = 0

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

jossa J on virrantiheys tai virta pinta-alayksikköä kohti. Siksi kosketusresistanssin yksiköt ilmaistaan yleensä ohmeina neliömetriä kohti tai . Kun virta on jännitteen lineaarinen funktio, laitteessa sanotaan olevan ohmiset koskettimet . $\Omega \cdot {\text{cm}}^{2}$

Kosketusresistanssi voidaan arvioida karkeasti vertaamalla nelinapaisen mittauksen tuloksia yksinkertaisen, ohmimittarilla tehdyn kaksinapaisen mittauksen tuloksiin . Kaksinapaisessa kokeessa testivirta aiheuttaa potentiaalin pudotuksen sekä mittausjohtimissa että koskettimissa, jolloin näiden elementtien resistanssi on erottamaton sen laitteen resistanssista, jonka kanssa ne on kytketty sarjaan. Kun mitataan nelipisteanturilla, yhtä johtoparia käytetään mittausvirran syöttämiseen ja toista johtoparia, joka on yhdensuuntainen ensimmäisen kanssa, mitataan potentiaalin pudotus näytteen yli. Neljän anturin tapauksessa jännitteenmittausjohtimissa ei ole potentiaalin pudotusta, joten kosketusvastuksen laskua ei huomioida. Kahden ja neljän johdinmenetelmällä saatu resistanssin ero on kohtuullisen tarkka kosketusresistanssin mittaus, mikäli lyijyresistanssi on paljon pienempi. Ominaiskosketinresistanssi saadaan kertomalla kosketuspinta-alalla. On myös huomattava, että kosketusresistanssi voi vaihdella lämpötilan mukaan.

Periaatteessa induktiivisia ja kapasitiivisia menetelmiä voidaan käyttää sisäisen impedanssin mittaamiseen ilman, että kosketusresistanssi vaikeutuu. Käytännössä resistanssin määrittämiseen käytetään yleisemmin tasavirtamenetelmiä .

Kolminapaiset järjestelmät, kuten transistorit, vaativat kehittyneempiä menetelmiä kosketusresistanssin lähentämiseksi. Yleisin lähestymistapa on siirtolinjamalli (TLM). Tässä näytetään laitteen impedanssi kanavan pituuden funktiona: $R_{\text{tot))$

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

missä ja ovat koskettimen ja kanavan resistanssi, vastaavasti, kanavan pituus/leveys, on hiladielektriikan kapasitanssi (pinta-alayksikköä kohden), on virrankantoaaltojen liikkuvuus ja ovat myös porttilähde ja nielulähteen jännitteet. Siksi impedanssin lineaarinen ekstrapolointi nollakanavan pituuteen antaa kosketusresistanssin. Lineaarifunktion kaltevuus on suhteessa kanavan kaltevuuteen ja sitä voidaan käyttää arvioimaan kantoaaltojen liikkuvuutta "ilman kosketusvastusta". Tässä käytetyt approksimaatiot (lineaarinen potentiaalin pudotus kanava-alueella, jatkuva kosketusresistanssi ja niin edelleen) johtavat joskus kanavariippuvaiseen kosketusresistanssiin [2] . $R_{\text{c))$ $R_{\text{ch))$ $L/W$ $C$ $\mu$ $V_{\text{gs))$ $V_{\text{ds))$

TLM:n lisäksi on ehdotettu neljän terminaalin portin mittauskaaviota [3] ja modifioitua lentoaikamenetelmää (TOF) [4] . Suorat menetelmät, jotka mahdollistavat suoran potentiaalihäviön mittaamisen injektioelektrodin poikki, ovat Kelvinin anturivoimamikroskopia (KFM) [5] ja sähkökentän aiheuttama toinen harmoninen sukupolvi [6] .

Puolijohdeteollisuudessa Kelvin Cross-Bridge Resistor (CBKR) -rakenteet ovat yleisimmin käytettyjä testirakenteita metalli-puolijohdekontaktien karakterisoimiseksi tasomaisissa VLSI -teknologian laitteissa . Mittauksen aikana johdetaan virta (I) koskettimien 1 ja 2 väliin ja mitataan potentiaaliero koskettimien 3 ja 4 välillä. Kosketinresistanssi Rk voidaan sitten laskea [7] . $Rk=V34/I$

Mekanismit

Tietyille materiaalin fysikaalis-mekaanisille ominaisuuksille sähköisen kosketusresistanssin (ECR) suuruuden ja sen muutoksen rajapinnassa määrittävät parametrit liittyvät ensisijaisesti pintarakenteeseen ja siihen kohdistuvaan kuormaan ( kosketusmekaniikka ) [8] . Metalliset kosketuspinnat sisältävät tyypillisesti oksidimateriaalia ja adsorboituja vesimolekyylejä sisältävän ulkokerroksen , mikä johtaa kondensaattorityyppisiin liitoksiin heikosti koskettavilla harjanteilla ja vastustyyppisillä koskettimilla erittäin koskettavilla harjanteilla, joissa käytetään riittävää painetta harjanteiden ajamiseksi oksidikerrokseen muodostaen metallikontaktipaikka metalli. Jos kosketuspiste on riittävän pieni ja sen mitat ovat vertailukelpoisia tai pienempiä kuin elektronien keskimääräinen vapaa reitti , paikan resistanssi voidaan kuvata Sharvinin kaavalla , jolloin elektronien kulkua voidaan kuvata ballistisella johtavuudella . Pääsääntöisesti ajan myötä kosketuspisteet laajenevat ja kosketusresistanssi rajapinnalla, erityisesti heikosti koskettavilla pinnoilla, pienenee hitsauksen seurauksena virran vaikutuksesta ja eristeen rikkoutumisesta. Tämä prosessi tunnetaan myös nimellä resistiivinen viruminen [9] . ECR - ilmiöiden mekanistisessa arvioinnissa on otettava huomioon pintakemian , kosketusmekaniikan ja varauksensiirtomekanismien suhde.

Kvanttiraja

Kun johtimen avaruudelliset mitat ovat lähellä , missä on Fermi-aaltovektori johtavassa materiaalissa, Ohmin laki ei enää päde. Näitä pieniä laitteita kutsutaan kvanttipistekontakteiksi . Niiden johtavuuden on oltava kokonaislukukerrannainen , jossa on alkuainevaraus ja on Planckin vakio . Kvanttipistekoskettimet käyttäytyvät jokapäiväisessä elämässä enemmän aaltoputkien kuin klassisten johtimien tavoin, ja niitä voidaan kuvata Landauerin sirontaformalismilla [10] . Pistekosketustunnelointi on tärkeä tekniikka suprajohteiden karakterisoinnissa . $2\pi /k_{\text{F))$ $k_{\text{F))$ $2e^{2}/h$ $e$ $h$

Muut kosketusvastuksen muodot

Lämmönjohtavuusmittaukset riippuvat myös kosketusresistanssista, mikä on erityisen tärkeää siirrettäessä lämpöä rakeisen väliaineen läpi. Samoin hydrostaattisen paineen lasku (samanlainen kuin sähköinen jännitys ) tapahtuu, kun nestevirtaus siirtyy kanavasta toiseen.

Merkitys

Huonot koskettimet aiheuttavat useiden sähkölaitteiden vikoja tai huonon suorituskyvyn. Esimerkiksi ruosteiset liitinkaapelin pidikkeet voivat häiritä yrityksiä käynnistää ajoneuvo , jonka akku on tyhjä . Likaiset tai ruosteiset koskettimet sulakkeessa tai sulakepitimessä voivat antaa väärän vaikutelman, että sulake on palanut. Riittävän suuri kosketusresistanssi voi aiheuttaa suurvirtalaitteen merkittävää kuumenemista . Ennalta arvaamattomat tai äänekkäät koskettimet ovat suurin syy sähkölaitteiden vikaantumiseen.

Muistiinpanot

↑ Shockley, William (syyskuu 1964). "Käänteisten epitaksiaalisten UHF-tehotransistorien tutkimus ja tutkimus". Raportti nro A1-TOR-64-207.
↑ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). "Katsastus kosketusresistanssiongelmaan tutkimalla suoraan orgaanisten kenttätransistorien potentiaalisen pudotuksen". Applied Physics Letters . 97 (26): 263304. Bibcode : 2010ApPhL..97z3304W . DOI : 10.1063/1.3533020 .
↑ Pesavento, Paavali V.; Chesterfield, Reid J.; Newman, Christopher R.; Frisbie, C. Daniel (2004). "Pentaseeniohutkalvotransistoreiden aidatut neljän anturin mittaukset: Kosketinresistanssi hilajännitteen ja -lämpötilan funktiona." 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). "Orgaanisen kenttätransistorin ohimenevien virtojen analyysi: lentoaikamenetelmä". Journal of Physical Chemistry C. 113 (43): 18459. doi : 10.1021 /jp908381b .
↑ Burgi, L.; Sirringhaus, H.; Ystävä, RH (2002). "Polymeerikenttätransistorien kosketukseton potentiometria". Applied Physics Letters . 80 (16) : 2913. Bibcode : 2002ApPhL..80.2913B . DOI : 10.1063/1.1470702 .
↑ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Kantoaallon injektion tutkiminen pentaseenikenttätransistoriin aikaerotetulla mikroskooppisella optisella toisen harmonisen sukupolven mittauksella". Journal of Applied Physics . 106 (1): 014511–014511–5. Bibcode : 2009JAP...106a4511N . DOI : 10.1063/1.3168434 .
↑ Stavitski, Natalie; Klootwijk, Johan H.; van Zeijl, Henk W.; Kovalgin, Aleksei Y.; Wolters, Rob AM (helmikuu 2009). "Cross-Bridge Kelvin vastusrakenteet alhaisen kosketusvastuksen luotettavaan mittaukseen ja kosketinrajapinnan karakterisointiin" . IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing . 22 (1): 146-152. DOI : 10.1109/TSM.2008.2010746 . ISSN 0894-6507 . S2CID 111829 . Arkistoitu alkuperäisestä 2021-05-04 . Haettu 2021-05-04 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwenaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang (joulukuu 2016). "Rajapinnan sähkömekaaninen käyttäytyminen karkeilla pinnoilla" (PDF) . Extreme Mechanics Letters . 9 (3): 422-429. DOI : 10.1016/j.eml.2016.03.021 . Arkistoitu (PDF) alkuperäisestä 2021-04-19 . Haettu 2021-05-04 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
↑ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian A.H.; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang (2015). "Stress-riippuvainen sähköinen kosketusresistanssi fraktaalikarkeilla pinnoilla" . Journal of Engineering Mechanics . 143 (3): B4015001. DOI : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967 .
↑ Landauer, Rolf (elokuu 1976). "Spatiaalisen kantoaallon tiheyden modulaation vaikutukset metallinjohtavuudessa". Fyysinen arvostelu B. 14 (4): 1474-1479. Bibcode : 1976PhRvB..14.1474L . DOI : 10.1103/PhysRevB.14.1474 .

Kirjallisuus

Ney Contact Manual - Sähköiset koskettimet matalan energian käyttöön . - uusintapainos 1. — Deringer-Ney, alunperin JM Ney Co., 2014. (linkki ei saatavilla)(Huom. Ilmainen lataus rekisteröinnin jälkeen.)
Sähköiset kontaktit: Periaatteet ja sovellukset. - 2. - CRC Press , Taylor & Francis, Inc. , 2014-02-12. — Voi. 105. - ISBN 978-1-43988130-9 .
Sähkökoskettimet: teoria ja sovellus. — uusintapainos 4. tarkistetusta. — Springer Science & Business Media , 29.6.2013. - ISBN 978-3-540-03875-7 . (Huom. Uudelleenkirjoitus aikaisemmasta " Sähkökontaktien käsikirjasta ".)
Sähköisten kontaktien käsikirja. - Kolmas kirjoitettu kokonaan uudelleen. - Berliini / Göttingen / Heidelberg, Saksa : Springer-Verlag , 1958. - ISBN 978-3-66223790-8 . [1] (Huom. Aiemman " Die technische Physik der elektrischen Kontakte " (1941) uudelleenkirjoitus ja käännös saksan kielellä, joka on saatavana uusintapainoksena numerolla ISBN 978-3-662-42222-9 .)
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren: [] . - 3. - Berliini / Heidelberg / New York / Tokio: Springer-Verlag , 2016. - ISBN 978-3-642-45426-4 .