Resistencia de contacto

La resistencia de contacto eléctrico ( RCE , o simplemente resistencia de contacto ) es la resistencia al flujo de corriente eléctrica causada por el contacto incompleto de las superficies por las que circula la corriente, así como por películas o capas de óxido en dichas superficies. Se presenta 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 y calentamiento significativos en circuitos con alta corriente. Dado que la resistencia de contacto se suma a la resistencia intrínseca de los conductores, puede causar errores de medición importantes cuando se requieren valores de resistencia exactos.

La resistencia de contacto puede variar con la temperatura. También puede variar con el tiempo (generalmente disminuyendo) 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 se suele asumir 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 gradual del canal.

Debido a que la resistencia de contacto suele ser relativamente pequeña, puede resultar difícil de medir, y la medición con cuatro terminales ofrece mejores resultados que una simple medición con 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 entre 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 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.

Para la caracterización experimental, es necesario distinguir 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 :

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

dónde${\displaystyle J}$es la densidad de corriente, o corriente por área. Por lo tanto, las unidades de resistividad de contacto específica suelen ser ohmio-metro cuadrado, o Ω⋅m² ^. 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 con mayor frecuencia para determinar la resistencia.

Los sistemas de tres electrodos, como los transistores, requieren métodos más complejos 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${\displaystyle R_{\text{total}}}$se representa gráficamente en función de la longitud del canal:

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

dónde${\displaystyle R_{\text{c}}}$y${\displaystyle R_{\text{ch}}}$son las resistencias de contacto y de canal, respectivamente,${\displaystyle L/W}$es la longitud/anchura del canal,${\displaystyle C}$es la capacitancia del aislante de puerta (por unidad de área),${\displaystyle \mu }$es la movilidad del operador, y${\displaystyle V_{\text{gs}}}$y${\displaystyle V_{\text{ds}}}$son los voltajes puerta-fuente y drenador-fuente. 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 utilizarse para estimar la movilidad de 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 una resistencia de contacto dependiente del canal. ^{[ 2 ]}

Además del TLM se propuso la medición de cuatro puntas con compuerta ^{[ 3 ]} y el método de tiempo de vuelo (TOF) modificado ^{[ 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 inducida 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 la tecnología VLSI. Durante el proceso de medición, se fuerza la corriente (${\displaystyle I}$) entre los contactos 1 y 2 y medir la diferencia de potencial entre los contactos 3 y 4. La resistencia de contacto${\displaystyle R_{\text{k}}}$entonces se puede calcular como${\displaystyle R_{\text{k}}=V_{34}/I}$. ^{[ 7 ]}

Para propiedades físicas y mecánicas dadas del material, 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 contacto ). ^{[ 8 ]} Las superficies de los contactos metálicos generalmente presentan una capa externa de material de óxido y moléculas de agua adsorbidas , lo que conduce a uniones de 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 la capa de óxido, formando parches de contacto metal-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 el cual 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 soldadura inducida por corriente y 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.

Cuando un conductor tiene dimensiones espaciales cercanas a${\displaystyle 2\pi /k_{\text{F}}}$, dónde${\displaystyle k_{\text{F}}}$es el vector de onda de Fermi del material conductor, la ley de Ohm ya no se cumple. Estos pequeños dispositivos se llaman contactos puntuales cuánticos . Su conductancia debe ser un múltiplo entero del valor${\displaystyle 2e^{2}/h}$, dónde${\displaystyle e}$es la carga elemental y${\displaystyle h}$es la constante de Planck . Los contactos puntuales cuánticos se comportan más como guías de onda que como los cables clásicos de la vida cotidiana y pueden describirse mediante el formalismo de dispersión de Landauer . ^{[ 10 ]} El efecto túnel de contacto puntual es una técnica importante para caracterizar superconductores .

Las mediciones de conductividad térmica también están sujetas a la resistencia de contacto, lo cual es especialmente relevante en el transporte de calor a través de medios granulares. De manera similar, se produce una caída de presión hidrostática (análoga a la tensión eléctrica ) cuando el flujo de fluido pasa de un canal a otro.

Los contactos defectuosos son la causa de fallas o un rendimiento deficiente en una amplia variedad de dispositivos eléctricos. Por ejemplo, las pinzas corroídas de los cables de arranque pueden impedir el arranque de un vehículo con la batería baja . Los contactos sucios o corroídos de un fusible o su portafusibles 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 causa importante de fallas en los equipos eléctricos.

• Limpiador de contactos
• Corriente de humectación

• Pitney, Kenneth E. (2014) [1973]. Manual de contactos Ney - Contactos eléctricos para usos de baja energía (reimpresión de la 1.ª  ed.). Deringer-Ney, originalmente JM Ney Co. ASIN B0006CB8BC . (Nota: Descarga gratuita tras el 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  ed. revisada). Springer Science & Business Media . ISBN 978-3-540-03875-7.(Nota: Se trata de una revisión del anterior " Manual de contactos eléctricos ").
• Holm, Ragnar ; Holm, Else (1958). Manual de contactos eléctricos (3.ª ed. completamente revisada  ). Berlín / Gotinga / Heidelberg, Alemania: Springer-Verlag . ISBN 978-3-66223790-8.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )(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.