接触抵抗

電気接触抵抗（ECR、または単に接触抵抗）とは、電流が流れる表面の接触が不完全であること、および接触面に形成される膜や酸化膜によって生じる電流の流れに対する抵抗のことです。これは、スイッチ、コネクタ、ブレーカー、接点、測定プローブなどの電気接続部で発生します。接触抵抗の値は通常小さく（マイクロオームからミリオームの範囲）、一定ではありません。

接触抵抗は、大電流回路において大きな電圧降下や発熱を引き起こす可能性があります。接触抵抗は導体の固有抵抗に加算されるため、正確な抵抗値が必要な場合に大きな測定誤差を生じさせる可能性があります。

接触抵抗は温度によって変化する場合があります。また、抵抗クリープと呼ばれる現象により、時間とともに変化することもあります（多くの場合、減少します）。

電気接触抵抗は、界面抵抗、遷移抵抗、または補正項とも呼ばれます。寄生抵抗はより一般的な用語であり、通常、接触抵抗が主要な構成要素であると想定されます。

ウィリアム・ショックレー^{[ 1 ]}は、実験結果と漸進的チャネル近似モデルの違いを説明するために、注入電極上の電位降下の概念を導入した。

接触抵抗は通常比較的小さいため、測定が困難な場合があり、オームメーターを用いた単純な2端子測定よりも4端子測定の方がより良い結果が得られる。

• 2端子測定（一般的なオームメーターと同様）では、測定に使用する電流は測定リード線を通して流されます。これにより、測定対象の接触面だけでなく、プローブの接点とリード線の間にも電位降下が生じます。つまり、プローブとそのリード線の接触抵抗は、直列に接続されている測定対象の接触面の抵抗と切り離すことができません。
• 4端子測定では、測定に使用する電流は2つ目の独立したリード線ペアを使用して注入されるため、測定プローブとそのリード線の接触抵抗は測定結果に含まれません。

接触抵抗は、接触面積を乗じることで求められます。

実験的な特性評価においては、2電極システム（例えばダイオード）における接触抵抗の評価と、3電極システム（例えばトランジスタ）における接触抵抗の評価を区別する必要がある。

2電極システムでは、比接触抵抗は、 V = 0におけるI-V 曲線の傾きとして実験的に定義されます。

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

どこ${\displaystyle J}$は電流密度、つまり単位面積あたりの電流です。したがって、比接触抵抗の単位は通常、オーム平方メートル、またはΩ⋅m²です^。電流が電圧の線形関数である場合、デバイスはオーム接触を持つと言われます。 誘導法と容量法は、接触抵抗の複雑さなしに固有インピーダンスを測定するために原理的に使用できます。実際には、抵抗を決定するために直流法がより一般的に使用されます。

トランジスタなどの3電極システムでは、接触抵抗の近似に、より複雑な方法が必要となります。最も一般的なアプローチは伝送線路モデル（TLM）です。ここでは、デバイス全体の抵抗は${\displaystyle R_{\text{tot}}}$チャネル長の関数としてプロットされます。

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

どこ${\displaystyle R_{\text{c}}}$そして${\displaystyle R_{\text{ch}}}$それぞれ接触抵抗とチャネル抵抗である。${\displaystyle L/W}$チャネルの長さ/幅は、${\displaystyle C}$はゲート絶縁体の静電容量（単位面積あたり）です。${\displaystyle \mu }$キャリアの移動性と、${\displaystyle V_{\text{gs}}}$そして${\displaystyle V_{\text{ds}}}$ゲート-ソース間電圧とドレイン-ソース間電圧です。したがって、全抵抗をゼロチャネル長まで線形外挿すると、接触抵抗が得られます。線形関数の傾きはチャネル相互コンダクタンスに関係しており、「接触抵抗のない」キャリア移動度の推定に使用できます。ここで使用されている近似（チャネル領域全体にわたる線形電位降下、一定の接触抵抗など）は、チャネル依存の接触抵抗につながる場合があります。^{[ 2 ]}

TLMの他に、ゲート付き4端子測定^{[ 3 ]}と改良型飛行時間法（TOF）^{[ 4 ]}が提案されている。注入電極上の電位降下を直接測定できる直接法としては、ケルビンプローブ力顕微鏡（KFM）^{[ 5 ]}と電界誘起第2高調波発生^{[ 6 ]がある。}

半導体業界では、クロスブリッジケルビン抵抗器（CBKR）構造は、VLSI技術のプレーナデバイスにおける金属-半導体接点の特性評価に最もよく使用されるテスト構造です。測定プロセス中、電流（${\displaystyle I}$接点1と接点2間の電位差を測定し、接点3と接点4間の電位差を測定する。${\displaystyle R_{\text{k}}}$計算すると次のようになります。${\displaystyle R_{\text{k}}=V_{34}/I}$[ ^{7 ]​}

与えられた物理的および機械的材料特性に対して、電気接触抵抗 (ECR) の大きさおよび界面でのその変化を支配するパラメータは、主に表面構造と印加荷重 (接触力学) に関連しています。^{[ 8 ]}金属接点の表面は、一般的に酸化物材料と吸着水分子の外層を示し、接触が弱い突起ではコンデンサ型接合、接触が強い突起では抵抗型接点が形成されます。接触が強い突起では、突起が酸化物層を貫通して金属間接触パッチを形成するのに十分な圧力が印加されます。接触パッチが十分に小さく、寸法が電子の平均自由行程と同等かそれ以下であれば、パッチでの抵抗はシャービン機構で説明でき、電子輸送は弾道伝導で説明できます。一般に、時間の経過とともに、接触パッチは拡大し、特に接触が弱い表面では、電流誘起溶接と誘電破壊によって界面での接触抵抗が緩和されます。このプロセスは抵抗クリープとしても知られています。^{[ 9 ]} ECR現象のメカニズム評価においては、表面化学、接触力学、電荷輸送メカニズムの結合を考慮する必要がある。

導体の空間寸法が${\displaystyle 2\pi /k_{\text{F}}}$、 どこ$\displaystyle k_{\text{F}}}$は導電材料のフェルミ波数ベクトルであり、オームの法則はもはや成り立ちません。これらの小さなデバイスは量子点接触と呼ばれます。そのコンダクタンスは の値の整数倍でなければなりません。${\displaystyle 2e^{2}/h}$、 どこ${\displaystyle e}$は基本電荷であり、${\displaystyle h}$はプランク定数です。量子点接触は、日常生活の古典的なワイヤーよりも導波路のように振る舞い、ランダウアー散乱形式で記述できます。^{[ 10 ]}点接触トンネルは、超伝導体を特徴付けるための重要な技術です。

熱伝導率の測定も接触抵抗の影響を受け、特に粒状媒体を通る熱輸送においてその影響は顕著である。同様に、流体が一方の流路から他方の流路へ移行する際には、静水圧（電気電圧に相当）の低下が生じる。

接触不良は、様々な電気機器の故障や性能低下の原因となります。例えば、ジャンパーケーブルのクランプが腐食していると、バッテリー残量が少ない車両の始動が困難になることがあります。ヒューズやヒューズホルダーの接点が汚れていたり腐食していたり​​すると、ヒューズが切れているように見えてしまうことがあります。接触抵抗が高すぎると、大電流機器でかなりの発熱を引き起こす可能性があります。接触不良やノイズは、電気機器の故障の大きな原因となります。

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