接触抵抗

電気接触抵抗( ECR、または単に接触抵抗) は、電流が流れる表面の不完全な接触、および接触表面のフィルムまたは酸化層によって生じる電流の流れに対する抵抗です。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で発生します。接触抵抗値は通常小さいです (マイクロオームからミリオームの範囲)。

接触抵抗は、高電流の回路で大きな電圧降下と加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が生じる可能性があります。

接触抵抗は温度によって変化することがあります。また、抵抗クリープと呼ばれるプロセスにより、時間の経過とともに変化することもあります (ほとんどの場合、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、通常は接触抵抗が主要な構成要素であると見なされます。

ウィリアム・ショックレー^[1]は、実験結果と段階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、オーム計による単純な 2 端子測定よりも 4 端子測定の方が優れた結果が得られます。

• 2 端子測定 (一般的な抵抗計と同様) では、測定に使用する電流が測定リード線を通じて注入されるため、測定対象の接触領域だけでなく、プローブの接触部とリード線の間でも電位降下が発生します。つまり、プローブとそのリード線の接触抵抗は、それらが直列に接続されている測定対象の接触領域の抵抗と切り離すことはできません。
• 4 端子測定では、測定に使用される電流は 2 番目の別の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に含まれません。

接触面積を掛け合わせることで、比接触抵抗が得られます。

実験的特性評価では、2 電極システム (ダイオードなど) と 3 電極システム (トランジスタなど) の接触抵抗評価を区別する必要があります。

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。

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

ここで、 は電流密度、つまり面積あたりの電流です。したがって、特定の接触抵抗の単位は通常、オーム平方メートル、または Ω⋅m ²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っていると言われます。 誘導法と容量法は、原理的には接触抵抗の複雑さなしで固有インピーダンスを測定するために使用できます。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。 ${\displaystyle J}$

トランジスタなどの 3 電極システムでは、接触抵抗の近似にさらに複雑な方法が必要です。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がチャネル長の関数としてプロットされます。 ${\displaystyle R_{\text{tot}}}$

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

ここで、 およびはそれぞれ接触抵抗とチャネル抵抗、はチャネル長/幅、はゲート絶縁体容量（単位面積あたり）、はキャリア移動度、および はゲート-ソース間電圧とドレイン-ソース間電圧です。したがって、総抵抗をゼロチャネル長に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連し、「接触抵抗のない」キャリア移動度の推定に使用できます。ここで使用される近似（チャネル領域全体の線形電位降下、一定の接触抵抗など）は、チャネルに依存する接触抵抗につながる場合があります。^[2]${\displaystyle R_{\text{c}}}$${\displaystyle R_{\text{ch}}}$${\displaystyle L/W}$${\displaystyle C}$${\displaystyle \mu}$${\displaystyle V_{\text{gs}}}$${\displaystyle V_{\text{ds}}}$

TLMの他に、ゲート式4プローブ測定法^[3]と改良飛行時間法(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]と電界誘起第二高調波発生法^{[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技術の平面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。測定プロセス中に、接点1と2の間に電流（ ）を流し、接点3と4の間の電位差を測定します。接触抵抗は次のように計算できます。^[7]${\displaystyle I}$${\displaystyle R_{\text{k}}}$${\displaystyle R_{\text{k}}=V_{34}/I}$

与えられた物理的および機械的材料特性について、界面での電気接触抵抗（ECR）の大きさと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）に関係している。^[8]金属接点の表面は、一般に酸化物材料の外層と吸着水分子を示し、これが弱く接触する凹凸ではコンデンサ型の接合につながり、強く接触する凹凸では抵抗型の接触となり、十分な圧力が加わって凹凸が酸化物層を貫通し、金属同士の接触パッチが形成される。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より小さい場合、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る。一般に、時間の経過とともに接触パッチは拡大し、界面の接触抵抗は、特に弱く接触する表面で、電流誘導溶接と誘電破壊によって緩和する。このプロセスは抵抗クリープとしても知られている。^{[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、電荷輸送機構の結合を考慮する必要がある。

導体の空間次元が（ は導体材料のフェルミ波数ベクトル）に近い場合、オームの法則は成立しなくなります。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値の整数倍でなければなりません。 （ は素電荷、はプランク定数です。量子点接触は日常生活の古典的な配線よりも導波管のように動作し、ランダウアー散乱形式で記述できます。 ^[10]点接触トンネル効果は超伝導体を特徴付ける重要な技術です。 ${\displaystyle 2\pi /k_{\text{F}}}$${\displaystyle k_{\text{F}}}$${\displaystyle 2e^{2}/h}$${\displaystyle e}$${\displaystyle h}$

熱伝導率の測定も接触抵抗の影響を受けますが、これは粒状媒体を介した熱輸送において特に重要です。同様に、流体の流れが1 つのチャネルから別のチャネルに移行すると、静水圧(電圧に類似)の低下が発生します。

接触不良は、さまざまな電気機器の故障や性能低下の原因となります。たとえば、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を始動できなくなることがあります。ヒューズやヒューズホルダーの接触部が汚れていたり腐食していると、ヒューズが切れたという誤った印象を与えることがあります。接触抵抗が高すぎると、高電流デバイスがかなり加熱されることがあります。予測できない接触やノイズの多い接触は、電気機器の故障の主な原因です。

• コンタクトクリーナー
• 濡れ電流

• Pitney, Kenneth E. (2014) [1973]. Ney 接点マニュアル - 低エネルギー用途の電気接点 (第 1 版の再版)。Deringer-Ney、原著は JM Ney Co. ASIN  B0006CB8BC。^{[永久リンク切れ‍ ]} (注意: 登録後、無料でダウンロードできます。)
• スレイド、ポール G. (2014 年 2 月 12 日) [1999]。電気接点: 原理と応用。電気工学と電子工学。第 105 巻 (第 2 版)。CRCプレス、テイラー & フランシス社 。ISBN 978-1-43988130-9。 {{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ)
• ホルム、ラグナール、ホルム、エルス（ 2013年6月29日）[1967]。ウィリアムソン、JBP（編）。電気接点：理論と応用（第4改訂版の再版）。シュプリンガーサイエンス＆ビジネスメディア。ISBN 978-3-540-03875-7。(注: 以前の「電気接点ハンドブック」を書き直したものです。)
• ホルム、ラグナー、ホルム、エルゼ(1958)。電気接点ハンドブック(第 3 版、全面改訂)。ベルリン / ゲッティンゲン / ハイデルベルク、ドイツ: Springer - Verlag。ISBN 978-3-66223790-8。[1] (注意。ドイツ語で出版された以前の「 Die technische Physik der elektrischen Kontakte 」(1941)のリライトおよび翻訳であり、 ISBN 978-3-662-42222-9で再版として入手可能です。) 
• ハック、マンフレッド。ヴァルチュク、オイゲニウツ。イザベル・ブレシュ。他。 （2016年）[1984年]。ヴィナリッキー、エドゥアルド。シュレーダー、カール・ハインツ。ワイザー、ヨーゼフ。キール、アルバート。メルル、ヴィルヘルム A.マイヤー、カール・ルートヴィヒ (編)。Elektrische Kontakte、Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen、Technologien、Prüfverfahren (ドイツ語) (3 版)。ベルリン / ハイデルベルク / ニューヨーク / 東京: Springer-Verlag。ISBN 978-3-642-45426-4。