← 返回检索 | 去往 dutongjian.com 阅读资治通鉴
内容来自维基百科,并已进行敏感信息过滤。

接觸電阻

接觸電阻

接触电阻

接触电阻简称ECR,是因为两个表面不完整接触,电流流过产生的电阻,也有可能是表面的薄膜或是氧化层所导致。接触电阻会出现在电接点上,像是开关、连接器、断路器或是量测设备上。接触电阻一般很小(几个毫欧姆到几个微欧姆的大小)。

在高电流下,接触电阻可能会产生显著的电压降,并且发热。因为接触电阻的效果会和导体的内阻叠加,因此若需要用到确切的电阻值,可能会因为接触产生显著的误差。

接触电阻会随温度变化,也会随时间变化(一般是减少),这称为是电阻潜变(resistance creep)。

接触电阻也称为界面电阻(interface resistance)、过渡电阻(transitional resistance)或修正项(correction term)。更通用的说法是杂散电阻(Parasitic resistance),其中接触电阻可能是主要成分之一。

威廉·肖克利[1]引入了injection电极中电位降的概念,说明渐近通道近似和实验结果之间的误差。

量测方式

接触电阻相对较小,不容易量测,四端点测量技术量到的数值会比只用一个欧姆表的二端点测量技术要准。

  • 二端点量测技术(配合欧姆计),在量测的导线上注入电流,其电位降包括接触电阻的压降,也包括探棒接触点和导线的压降。因此接触阻抗和探棒接触电阻、导线接触电阻串联,三者无法分离。
  • 在四端点的量测中,用另外一组导线注入电流,因此不会引入导线和探棒的接触电阻。

可以将接触面积相乘,得到特定的接触阻抗。

实验特性

两电极系统(例如二极管)的接触电阻实验特性和三电极系统(例如晶体管)不同。

两电极系统中,比接触电阻率可以用V = 0电流-电压特性曲线的斜率来定义:

其中是电流密度(单位面积的电流)。比接触电阻率的单位是Ω⋅m2。若电流是电压的线性函数,此设备是欧姆接触。 可以用电感耦合电容耦合方式量测其本质阻抗,不会和接触阻抗混淆。实务上,一般会用直流电的方式量测电阻。

三电极系统(像晶体管)需要更复杂的模型来近似接触电阻。最常见的是传输线量测(TLM)。总设备电阻可以表示为通道长度的函数:

其中是接触电阻和通道电阻,是通道长度/宽度,是闸极隔离层电容(单位面积下的值)、是载流子迁移率、是闸极到源极电压,和漏极到源极电压。因此,将总电阻线性内插到通道长度为0,即得到接触电压。线性函数的斜率和通道跨导有关,可以用来估测“无接触电阻”的载流子迁移率。此处用的近似(通道区域的线性压降,固定接触电阻……)会得到和通道有关的接触电阻[2]

除了传输线量测法外,也有提到闸极的四端点的量测[3],以及修改后的时间差法(TOF)[4]。可以直接量测注入电极上压降的方法,是开尔文探针力显微镜(KFM)[5]和电场感应二次谐波产生的方法[6]

半导体产业中,跨桥开尔文电阻(CBKR)结构是最常在VLSI技术的平面元件中,找到金属-半导体特征的测试结构。在量测过程中,强迫电流()流经接点1和2,量测接点3和4之间的电位差。接触电阻[7]

机制

在给定物理和化学的材料性质后,会影响接触电阻的参数主要和接触面表面纹理和受力(接触力学)有关[8]。金属接触点表面一般会有一层的氧化物,也会吸附水分子,因此让电容型的接面出现较弱的接触粗糙,电阻式的接触则是强接触粗糙,其中施加了压力让粗糙部分刺穿氧化层,形成金属和金属的接触路径。若接触路径够小,和电阻的平均自由程相当或是小很多,会出现弹道输运现象,电子传输会用弹道传导来描述。一般来说,随着间,接触面会越来越大,界面的接触阻抗会变小,特别是弱接触的表面,是透过感应焊接和介电层破坏而造成,这称为电阻潜变(resistance creep)[9]。在接触电阻的机制评估时,需要考虑表面化学、接触力学和电荷传输机制的耦合。

量子极限

若导体的尺寸接近,其中是传导材料的费米波向量,此时就不适用欧姆定律,这类小的元件称为量子点接触。其电导率需是的整数倍,其中基本电荷普朗克常数。量子点接触比较不像一般的导线,反倒像是波导管,可以用罗夫·兰道尔的散射公式说明[10]。点接触量子穿隧效应是表征超导现象的重要技术。

其他接触阻力

热导率的量测也和接触电阻有关, 若是透过颗粒介质的热传输,这有相当的重要性。另外,在流体力学中,当流体流动从一个介质进入另一个介质时,也会有液静压的下降。

重要性

不良的接点是许多电气设备失效或是性能不佳的原因。例如已被腐蚀的搭电启动夹可以让车辆铅酸蓄电池电压过低时的搭电启动失败。保险丝接点或其保险丝座上的脏污或腐蚀,会让人误以为保险丝已熔断。在接触电阻较大的情形下,够大的电池就可能引发焦耳加热。接点动作异常或是有噪声常常是电气设备失效的主因。

相关条目

  • 润湿电流

参考资料

  1. ^ Shockley, William. Research and investigation of inverse epitaxial UHF power transistors. September 1964. Report No. A1-TOR-64-207. 
  2. ^ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa. Insight into the contact resistance problem by direct probing of the potential drop in organic field-effect transistors. Applied Physics Letters. 2010, 97 (26): 263304. Bibcode:2010ApPhL..97z3304W. doi:10.1063/1.3533020. 
  3. ^ Pesavento, Paul V.; Chesterfield, Reid J.; Newman, Christopher R.; Frisbie, C. Daniel. Gated four-probe measurements on pentacene thin-film transistors: Contact resistance as a function of gate voltage and temperature. Journal of Applied Physics. 2004, 96 (12): 7312. Bibcode:2004JAP....96.7312P. doi:10.1063/1.1806533. 
  4. ^ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa. Analysis of Transient Currents in Organic Field Effect Transistor: The Time-of-Flight Method. Journal of Physical Chemistry C. 2009, 113 (43): 18459. doi:10.1021/jp908381b. 
  5. ^ Bürgi, L.; Sirringhaus, H.; Friend, R. H. Noncontact potentiometry of polymer field-effect transistors. Applied Physics Letters. 2002, 80 (16): 2913. Bibcode:2002ApPhL..80.2913B. doi:10.1063/1.1470702. 
  6. ^ Nakao, Motoharu; Manaka, Takaaki; Weis, Martin; Lim, Eunju; Iwamoto, Mitsumasa. Probing carrier injection into pentacene field effect transistor by time-resolved microscopic optical second harmonic generation measurement. Journal of Applied Physics. 2009, 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 A. M. Cross-Bridge Kelvin Resistor Structures for Reliable Measurement of Low Contact Resistances and Contact Interface Characterization. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. February 2009, 22 (1): 146–152. ISSN 0894-6507. S2CID 111829. doi:10.1109/TSM.2008.2010746. 
  8. ^ Zhai, Chongpu; Hanaor, Dorian; Proust, Gwénaëlle; Brassart, Laurence; Gan, Yixiang. Interfacial electro-mechanical behaviour at rough surfaces (PDF). Extreme Mechanics Letters. December 2016, 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 A. H.; Proust, Gwenaelle; Gan, Yixiang. Stress-Dependent Electrical Contact Resistance at Fractal Rough Surfaces. Journal of Engineering Mechanics. 2015, 143 (3): B4015001. doi:10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967. 
  10. ^ Landauer, Rolf. Spatial carrier density modulation effects in metallic conductivity. Physical Review B. August 1976, 14 (4): 1474–1479. Bibcode:1976PhRvB..14.1474L. doi:10.1103/PhysRevB.14.1474. 

延伸阅读

  • Pitney, Kenneth E. Ney Contact Manual - Electrical Contacts for Low Energy Uses reprint of 1st. Deringer-Ney, originally JM Ney Co. 2014 [1973]. ASIN B0006CB8BC.  (NB. Free download after registration.)
  • Slade, Paul G. Electrical Contacts: Principles and Applications. Electrical and Computer Engineering. Electrical engineering and electronics 105 2 (CRC Press, Taylor & Francis, Inc.). 2014-02-12 [1999]. ISBN 978-1-43988130-9. 
  • Holm, Ragnar; Holm, Else. Williamson, J. B. P. , 编. Electric Contacts: Theory and Application reprint of 4th revised. Springer Science & Business Media. 2013-06-29 [1967]. ISBN 978-3-540-03875-7.  (NB. A rewrite of the earlier "Electric Contacts Handbook".)
  • Hol, Ragnar; Holm, Else. Electric Contacts Handbook 3rd completely rewritten. Berlin / Göttingen / Heidelberg, Germany: Springer-Verlag. 1958. ISBN 978-3-66223790-8.  [1] (NB. A rewrite and translation of the earlier "Die technische Physik der elektrischen Kontakte" (1941) in German language, which is available as reprint under ISBN 978-3-662-42222-9.)
  • Huck, Manfred; Walczuk, Eugeniucz; Buresch, Isabell; et al. Vinaricky, Eduard; Schröder, Karl-Heinz; Weiser, Josef; Keil, Albert; Merl, Wilhelm A.; Meyer, Carl-Ludwig , 编. Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren 3. Berlin / Heidelberg / New York / Tokyo: Springer-Verlag. 2016 [1984]. ISBN 978-3-642-45426-4 (German).