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 a través de las cuales fluye la corriente y por películas o capas de óxido en las superficies de contacto. Se produce 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 caídas de tensión significativas y calentamiento en circuitos con corriente alta. Debido a que la resistencia de contacto se suma a la resistencia intrínseca de los conductores, puede provocar errores de medición significativos cuando se necesitan valores de resistencia exactos.

La resistencia de contacto puede variar con la temperatura y también con el tiempo (generalmente disminuyendo) en un proceso conocido como deslizamiento 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 que se suele suponer que la resistencia de contacto es un componente principal.

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 de canal gradual.

Métodos de medición

Debido a que la resistencia de contacto suele ser comparativamente pequeña, puede ser difícil de medir, y la medición de cuatro terminales da mejores resultados que una simple medición de dos terminales realizada con un ohmímetro.

• En una medición de dos terminales (como en un ohmímetro 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 solo en el área de contacto que se va a medir, sino también en los contactos de la sonda y los cables. Esto significa que la resistencia de contacto de las sondas y sus cables es inseparable de la resistencia del área de contacto que se va a medir, con la que están en serie.
• En una medición de cuatro terminales, la corriente utilizada para realizar la medición se inyecta mediante un segundo par de cables separado, 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.

Esquema de la estimación de la resistencia de contacto por el método de 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 I–V en V = 0 :

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

donde es la densidad de corriente, o corriente por área. Por lo tanto, las unidades de resistividad de contacto específica suelen ser ohmios-metro cuadrado o Ω⋅m ² . Cuando la corriente es una 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 típicamente para determinar la resistencia. ${\displaystyle J}$

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). En este caso, la resistencia total del dispositivo se representa gráficamente 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 las resistencias de contacto y canal, respectivamente, es la longitud/ancho del canal, es la capacitancia del aislante de la compuerta (por unidad de área), es la movilidad de los portadores, y y son los voltajes compuerta-fuente y drenador-fuente. Por lo tanto, la extrapolación lineal de la resistencia total a la longitud del canal cero proporciona la resistencia de contacto. La pendiente de la función lineal está relacionada con la transconductancia del canal y se puede utilizar para la estimación de la movilidad de los portadores "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 con cuatro sondas controladas por compuerta ^[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 de sonda Kelvin (KFM) ^[5] y la generación de segundo armónico inducido por campo eléctrico. ^[6]

En la industria de semiconductores, las estructuras de resistencia Kelvin de puente cruzado (CBKR) son las estructuras de prueba más utilizadas para caracterizar los contactos metal-semiconductor en los dispositivos planares de tecnología VLSI. Durante el proceso de medición, se fuerza la corriente ( ) entre los contactos 1 y 2 y se mide la diferencia de potencial entre los contactos 3 y 4. La resistencia de contacto se puede calcular entonces como . ^[7] ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle R_{\text{k}}}$ ${\displaystyle R_{\text{k}}=V_{34}/I}$

Mecanismos

Para determinadas propiedades físicas y mecánicas de los materiales, los parámetros que rigen 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 contactos ). ^[8] Las superficies de los contactos metálicos generalmente presentan una capa externa de material de óxido y moléculas de agua adsorbidas , que conducen a uniones de tipo condensador 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 la capa de óxido, formando parches de contacto de metal a 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 , por lo que el transporte de electrones puede describirse mediante conducción balística . Generalmente, con el tiempo, los parches de contacto se expanden y la resistencia de contacto en una interfaz se relaja, particularmente en superficies de contacto débil, a través de la soldadura inducida por corriente y la ruptura dieléctrica. Este proceso también se conoce como fluencia de resistencia. ^[9] El acoplamiento de la química de la superficie , 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 es 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 contactos puntuales es una técnica importante para caracterizar a los 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 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 a la tensión eléctrica ) cuando el flujo de fluido pasa de un canal a otro.

Significado

Los contactos defectuosos son la causa de fallas o de un rendimiento deficiente en una amplia variedad de dispositivos eléctricos. Por ejemplo, las abrazaderas de los cables de arranque corroídas pueden frustrar los intentos de arrancar un vehículo que tiene poca batería . Los contactos sucios o corroídos en un fusible o en su soporte pueden dar la falsa impresión de que el fusible está fundido. Una resistencia de contacto suficientemente alta puede provocar un calentamiento considerable en un dispositivo de alta corriente. Los contactos impredecibles o ruidosos son una de las principales causas de falla de los equipos eléctricos.

Véase también

• Limpiador de contactos
• Corriente de humectación

Referencias

1. Shockley, William (septiembre de 1964). "Investigación y estudio de transistores de potencia UHF epitaxiales inversos". Informe n.º A1-TOR-64-207. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
2. Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2010). "Una visión del problema de la resistencia de contacto mediante el sondeo directo de la caída de potencial en transistores orgánicos de efecto de campo". Applied Physics Letters . 97 (26): 263304. Bibcode :2010ApPhL..97z3304W. doi :10.1063/1.3533020.
3. Pesavento, Paul 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 como función del voltaje de compuerta y la temperatura". Journal of Applied Physics . 96 (12): 7312. Bibcode :2004JAP....96.7312P. doi :10.1063/1.1806533.
4. Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Análisis de corrientes transitorias en transistores orgánicos de efecto de campo: el método de tiempo de vuelo". Journal of Physical Chemistry C . 113 (43): 18459. doi :10.1021/jp908381b.
5. Bürgi, L.; Sirringhaus, H.; Friend, RH (2002). "Potenciometría sin contacto de transistores de efecto de campo de polímero". Applied Physics Letters . 80 (16): 2913. Bibcode :2002ApPhL..80.2913B. doi :10.1063/1.1470702.
6. Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Sondaje de la inyección de portadora en transistores de efecto de campo de pentaceno mediante medición de generación de segundo armónico óptico microscópico con resolución temporal". Journal of Applied Physics . 106 (1): 014511–014511–5. Bibcode :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 la interfaz de contacto". IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing . 22 (1): 146–152. doi :10.1109/TSM.2008.2010746. ISSN  0894-6507. S2CID  111829.
8. Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwénaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang (diciembre de 2016). "Comportamiento electromecánico interfacial en superficies rugosas" (PDF) . Extreme Mechanics Letters . 9 (3): 422–429. Bibcode :2016ExML....9..422Z. doi :10.1016/j.eml.2016.03.021. hdl :1959.4/unsworks_60452.
9. Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian AH; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang (2015). "Resistencia de contacto eléctrico dependiente de la tensión en superficies rugosas fractales". Journal of Engineering Mechanics . 143 (3): B4015001. doi :10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967.
10. Landauer, Rolf (agosto de 1976). "Efectos de modulación de densidad de portadora espacial en la conductividad metálica". Physical Review B . 14 (4): 1474–1479. Bibcode :1976PhRvB..14.1474L. doi :10.1103/PhysRevB.14.1474.

Lectura adicional

• Pitney, Kenneth E. (2014) [1973]. Manual de contactos Ney: contactos eléctricos para usos de bajo consumo energético (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.ª ed.). CRC Press , 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 4.ª edición revisada). Springer Science & Business Media . ISBN 978-3-540-03875-7.(NB. Una reescritura del anterior " Manual de contactos eléctricos ").
• Holm, Ragnar ; Holm, Else (1958). Manual de contactos eléctricos (3.ª edición completamente reescrita). Berlín / Göttingen / 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; et al. (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.