Resistencia de contacto

Resistencia eléctrica atribuida a las interfaces de contacto.

La resistencia de contacto eléctrico ( ECR , o simplemente resistencia de contacto ) es la resistencia al flujo de corriente eléctrica causada por el contacto incompleto de las superficies por las que fluye la corriente y por películas o capas de óxido en las superficies de contacto. Ocurre en conexiones eléctricas como interruptores, conectores, disyuntores, contactos y sondas de medición. Los valores de resistencia de contacto suelen ser pequeños (en el rango de microohmios a miliohmios).

La resistencia de contacto puede provocar importantes caídas de tensión y calentamiento en circuitos con alta corriente. Debido a que la resistencia de contacto se suma a la resistencia intrínseca de los conductores, puede causar errores de medición significativos cuando se necesitan valores de resistencia exactos.

La resistencia de contacto puede variar con la temperatura. También puede variar con el tiempo (la mayoría de las veces disminuye) en un proceso conocido como fluencia de la resistencia.

La resistencia de contacto eléctrico también se denomina resistencia de interfaz , resistencia de transición o término de corrección . La resistencia parásita es un término más general, del cual generalmente se supone que la resistencia de contacto es un componente importante.

William Shockley ^[1] introdujo la idea de una caída de potencial en un electrodo de inyección para explicar la diferencia entre los resultados experimentales y el modelo de aproximación gradual de canales.

Métodos de medición

Debido a que la resistencia de contacto suele ser comparativamente pequeña, puede resultar difícil medirla, y la medición con cuatro terminales proporciona mejores resultados que una simple medición con dos terminales realizada con un óhmetro.

• En una medición de dos terminales (como ocurre con un óhmetro típico), la corriente utilizada para realizar la medición se inyecta a través de los cables de medición, lo que provoca una caída de potencial no sólo en el área de contacto que se va a medir, sino también en los contactos de la sonda y en el dirige. Esto significa que la resistencia de contacto de las sondas y sus cables es inseparable de la resistencia del área de contacto a medir, con la que están en serie.
• En una medición de cuatro terminales, la corriente utilizada para realizar la medición se inyecta utilizando un segundo par de cables separados, por lo que la resistencia de contacto de las sondas de medición y sus cables no se incluye en la medición.

La resistencia de contacto específica se puede obtener multiplicando por el área de contacto.

Croquis de la estimación de la resistencia de contacto por el método de la línea de transmisión.

Caracterización experimental

Para la caracterización experimental, se debe hacer una distinción entre la evaluación de la resistencia de contacto en sistemas de dos electrodos (por ejemplo, diodos) y sistemas de tres electrodos (por ejemplo, transistores).

En sistemas de dos electrodos, la resistividad de contacto específica se define experimentalmente como la pendiente de la curva IV en V = 0 :

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

donde J es la densidad de corriente, o corriente por área. Por lo tanto, las unidades de resistividad de contacto específica suelen estar en ohmios-metro cuadrado o . Cuando la corriente es función lineal del voltaje, se dice que el dispositivo tiene contactos óhmicos . En principio, se podrían utilizar métodos inductivos y capacitivos para medir una impedancia intrínseca sin la complicación de la resistencia de contacto. En la práctica, los métodos de corriente continua se utilizan más habitualmente para determinar la resistencia. ${\displaystyle \Omega \cdot {\text{cm}}^{2}}$

Los sistemas de tres 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: ${\displaystyle R_{\text{tot}}}$

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

donde y son resistencias de contacto y de canal, respectivamente, es la longitud/ancho del canal, es la capacitancia del aislador de puerta (por unidad de área), es la movilidad del portador y son voltajes de fuente de puerta y fuente de drenaje. Por lo tanto, la extrapolación lineal de la resistencia total a la longitud cero del canal proporciona la resistencia de contacto. La pendiente de la función lineal está relacionada con la transconductancia del canal y puede usarse para estimar la movilidad del portador "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] ${\displaystyle R_{\text{c}}}$ ${\displaystyle R_{\text{ch}}}$ ${\displaystyle L/W}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle V_{\text{gs}}}$ ${\displaystyle V_{\text{ds}}}$

Además del TLM, se propuso la medición controlada con cuatro sondas ^[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 con sonda Kelvin (KFM) ^[5] y la generación de segundos armónicos inducida por un 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 contactos metal-semiconductores en los dispositivos planos de tecnología VLSI. Durante el proceso de medición, fuerce la corriente (I) entre los contactos 1 y 2 y mida la diferencia de potencial entre los contactos 3 y 4. La resistencia de contacto Rk se puede calcular entonces como . ^[7] ${\displaystyle Rk=V34/I}$

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 , lo que conduce a uniones tipo capacitor en asperezas de contacto débil y contactos de tipo resistor en asperezas de contacto fuerte, donde se aplica suficiente presión para que las asperezas penetren en el capa de óxido, formando parches de contacto metal con metal. Si un parche de contacto es suficientemente pequeño, con dimensiones comparables o menores que el camino libre medio de los electrones, la resistencia en el parche puede describirse mediante el mecanismo de Sharvin , mediante el cual el transporte de electrones puede describirse mediante conducción balística . Generalmente, con el tiempo, las zonas 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 se conoce también como fluencia de resistencia. ^[9] El acoplamiento de la química de superficies , la mecánica de contacto y los mecanismos de transporte de carga debe considerarse en la evaluación mecanicista de los fenómenos ECR.

Límite cuántico

Cuando un conductor tiene dimensiones espaciales cercanas a , donde está el vector de onda de Fermi del material conductor, la ley de Ohm ya no se cumple. Estos pequeños dispositivos se denominan contactos puntuales cuánticos . Su conductancia debe ser un múltiplo entero del valor , donde es la carga elemental y es la constante de Planck . Los contactos puntuales cuánticos se comportan más como guías de ondas que como los cables clásicos de 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 . ${\displaystyle 2\pi /k_{\text{F}}}$ ${\displaystyle k_{\text{F}}}$ ${\displaystyle 2e^{2}/h}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle h}$

Otras formas de resistencia de contacto

Las mediciones de la 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 fallos o mal funcionamiento en una amplia variedad de dispositivos eléctricos. Por ejemplo, las abrazaderas de los cables de puente corroídas pueden frustrar los intentos de arrancar un vehículo que tiene poca batería . Los contactos sucios o corroídos de un fusible o de 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 fallos de los equipos eléctricos.

Ver también

• limpiador de contacto
• corriente de humedecimiento

Referencias

1. Shockley, William (septiembre de 1964). "Investigación e investigación de transistores de potencia UHF epitaxiales inversos". Informe No. A1-TOR-64-207. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
2. Weis, Martín; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). "Visión del problema de la resistencia de contacto mediante sondeo directo de la caída de potencial en transistores de efecto de campo orgánicos". Letras de Física Aplicada . 97 (26): 263304. Código bibliográfico : 2010ApPhL..97z3304W. doi :10.1063/1.3533020.
3. Pesavento, Pablo 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. Código bibliográfico : 2004JAP....96.7312P. doi :10.1063/1.1806533.
4. Weis, Martín; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Análisis de corrientes transitorias en transistores de efecto de campo orgánico: el método del tiempo de vuelo". Revista de Química Física C. 113 (43): 18459. doi : 10.1021/jp908381b.
5. Bürgi, L.; Sirringhaus, H.; Amigo, RH (2002). "Potenciometría sin contacto de transistores de efecto de campo poliméricos". Letras de Física Aplicada . 80 (16): 2913. Código bibliográfico : 2002ApPhL..80.2913B. doi :10.1063/1.1470702.
6. Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martín; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Sondeo de inyección de portador en un transistor de efecto de campo de pentaceno mediante medición óptica microscópica de generación de segundos armónicos resuelta en el tiempo". Revista de Física Aplicada . 106 (1): 014511–014511–5. Código Bib : 2009JAP...106a4511N. doi : 10.1063/1.3168434.
7. Stavitski, Natalie; Klootwijk, Johan H.; van Zeijl, Henk W.; Kovalgin, Alexey Y.; Wolters, Rob AM (febrero de 2009). "Estructuras de resistencias Kelvin de puente cruzado para medición confiable de resistencias de contacto bajas y caracterización de interfaces de contacto". Transacciones IEEE sobre fabricación de semiconductores . 22 (1): 146-152. doi :10.1109/TSM.2008.2010746. ISSN  0894-6507. S2CID  111829.
8. Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwenaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang (diciembre de 2016). "Comportamiento electromecánico interfacial en superficies rugosas" (PDF) . Cartas de Mecánica Extrema . 9 (3): 422–429. doi :10.1016/j.eml.2016.03.021.
9. Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian AH; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang (2015). "Resistencia de contacto eléctrico dependiente de la tensión en superficies rugosas fractales". Revista de Ingeniería Mecánica . 143 (3): B4015001. doi :10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967.
10. Landauer, Rolf (agosto de 1976). "Efectos de la modulación de la densidad de la portadora espacial en la conductividad metálica". Revisión física B. 14 (4): 1474-1479. Código bibliográfico : 1976PhRvB..14.1474L. doi : 10.1103/PhysRevB.14.1474.

Otras lecturas

• Pitney, Kenneth E. (2014) [1973]. Manual de contacto de Ney: contactos eléctricos para usos de baja energía (reimpresión de la 1.ª 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 y electrónica. vol. 105 (2 ed.). Prensa CRC , Taylor & Francis, Inc. ISBN 978-1-43988130-9. {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )
• Holm, Ragnar ; Holm, Else (29 de junio de 2013) [1967]. Williamson, JBP (ed.). Contactos eléctricos: teoría y aplicación (reimpresión de la cuarta edición revisada). Medios de ciencia y negocios de Springer . ISBN 978-3-540-03875-7.(NB. Una reescritura del anterior " Manual de contactos eléctricos ".)
• Holm, Ragnar ; Holm, más (1958). Manual de contactos eléctricos (tercera edición completamente reescrita). Berlín / Gotinga / 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 bajo ISBN 978-3-662-42222-9 .) 
• Huck, Manfred; Walczuk, Eugeniucz; Buresch, Isabell; Weiser, Josef; Borchert, Lotario; Faber, Manfredo; Bahrs, Willy; Saeger, Karl E.; Hola, Reinhard; Behrens, Volker; Heber, Jochen; Großmann, Hermann; Streuli, Max; Schuler, Pedro; Heinzel, Helmut; Harmsen, Ulf; Györy, Imre; Ganz, Joaquín; Cuerno, Jochen; Caspar, Franz; Lindmayer, Manfred; Berger, Frank; Baujan, Günter; Kriechel, Ralph; Lobo, Johann; Schreiner, Günter; Schröther, Gerhard; Maute, Uwe; Linnemann, Hartmut; Thar, Ralph; Möller, Wolfgang; Rieder, Werner; Kaminski, enero; Popa, Heinz-Erich; Schneider, Karl-Heinz; Bolz, Jacob; Vermij, L.; Mayer, Úrsula (2016) [1984]. Vinaricky, Eduard; Schröder, Karl-Heinz; Weiser, Josef; Keil, Alberto; 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.