접촉 저항

전기 접촉 저항(, ECR, 또는 단순히 접촉 저항())은 전류가 흐르는 표면의 불완전한 접촉과 접촉 표면의 막 또는 산화층으로 인해 발생하는 전류 흐름에 대한 저항이다. 이는 스위치, 커넥터, 차단기, 접점 및 측정 프로브와 같은 전기 접점에서 발생한다. 접촉 저항 값은 일반적으로 작다(마이크로옴에서 밀리옴 범위).

접촉 저항은 고전류 회로에서 상당한 전압 강하와 발열을 유발할 수 있다. 접촉 저항은 도체의 고유 저항에 더해지기 때문에 정확한 저항 값이 필요할 때 상당한 측정 오차를 유발할 수 있다.

접촉 저항은 온도에 따라 달라질 수 있다. 또한 저항 크리프라고 알려진 과정에서 시간에 따라 (대부분 감소하며) 달라질 수 있다.

전기 접촉 저항은 계면 저항, 과도 저항 또는 보정 항이라고도 불린다. 기생 저항은 더 일반적인 용어이며, 접촉 저항은 일반적으로 그 주요 구성 요소로 가정된다.

윌리엄 쇼클리는 실험 결과와 점진적 채널 근사 모델 간의 차이를 설명하기 위해 주입 전극의 전위 강하 개념을 도입했다.

 측정 방법 
접촉 저항은 일반적으로 비교적 작기 때문에 측정하기 어려울 수 있으며, 4단자 측정은 간단한 2단자 측정보다 더 나은 결과를 제공한다.
 2단자 측정(일반적인 옴미터와 같은)에서는 측정을 위해 사용되는 전류가 측정 리드를 통해 주입되며, 이는 측정 대상 접촉 영역뿐만 아니라 프로브 접촉부와 리드에도 전위 강하를 유발한다. 이는 프로브와 리드의 접촉 저항이 측정 대상 접촉 영역의 저항과 직렬로 연결되어 분리할 수 없음을 의미한다.
 4단자 측정에서는 측정을 위해 사용되는 전류가 두 번째 별도의 리드 쌍을 사용하여 주입되므로 측정 프로브와 리드의 접촉 저항은 측정에 포함되지 않는다.

비접촉 저항은 접촉 면적을 곱하여 얻을 수 있다.

섬네일|전송선 모델을 이용한 접촉 저항 추정 스케치.

 실험적 특성화 
실험적 특성화를 위해서는 2전극 시스템(예: 다이오드)과 3전극 시스템(예: 트랜지스터)에서 접촉 저항 평가를 구별해야 한다.

2전극 시스템에서 비접촉 저항률은 실험적으로 에서의 전류-전압 곡선의 기울기로 정의된다.
 
여기서 는 전류 밀도, 즉 단위 면적당 전류이다. 따라서 비접촉 저항률의 단위는 일반적으로 옴-제곱 미터 또는 Ω⋅m2이다. 전류가 전압의 선형 함수일 때, 해당 장치는 옴 접촉을 가진다고 한다.
유도 결합 및 정전 용량 결합 방법은 원칙적으로 접촉 저항의 복잡성 없이 고유 온저항을 측정하는 데 사용될 수 있다. 실제로는 직류 방법이 저항을 결정하는 데 더 일반적으로 사용된다.

트랜지스터와 같은 3전극 시스템은 접촉 저항 근사를 위해 더 복잡한 방법을 필요로 한다. 가장 일반적인 접근 방식은 전송선 측정 모델(TLM)이다. 여기서 총 장치 저항 은 채널 길이의 함수로 플로팅된다.
 
여기서 와 는 각각 접촉 저항과 채널 저항이고, 는 채널 길이/폭, 는 게이트 절연체 정전 용량(단위 면적당), 는 캐리어 이동도, 와 는 게이트-소스 및 드레인-소스 전압이다. 따라서 총 저항을 0 채널 길이로 선형 외삽하면 접촉 저항이 얻어진다. 선형 함수의 기울기는 채널 전달 컨덕턴스와 관련이 있으며 "접촉 저항이 없는" 캐리어 이동도를 추정하는 데 사용될 수 있다. 여기서 사용된 근사(채널 영역에 걸친 선형 전위 강하, 일정한 접촉 저항 등)는 때때로 채널 의존적 접촉 저항으로 이어진다.

TLM 외에도 게이트형 4프로브 측정과 수정된 비행 시간 방법(TOF)이 제안되었다. 주입 전극의 전위 강하를 직접 측정할 수 있는 직접적인 방법은 켈빈 프로브 힘 현미경(KFM)과 전장 유도 2차 고조파 발생이다.

반도체 산업에서, 교차-브리지 켈빈 저항기(CBKR) 구조는 VLSI 기술의 평면 장치에서 금속-반도체 접촉을 특성화하는 데 가장 많이 사용되는 테스트 구조이다. 측정 과정 동안 접점 1과 2 사이에 전류()를 강제하고 접점 3과 4 사이의 전위차를 측정한다. 접촉 저항 는 로 계산할 수 있다.

 메커니즘 
주어진 물리적 및 기계적 재료 특성에 대해, 계면에서 전기 접촉 저항(ECR)의 크기와 그 변화를 지배하는 매개변수는 주로 표면 마감과 가해지는 하중(접촉 역학)과 관련이 있다. 금속 접점의 표면은 일반적으로 산화물 재료의 외부층과 흡착된 물 분자를 나타내는데, 이는 약하게 접촉하는 거친 표면 돌기에서 커패시터형 접합을 유발하고, 산화층을 관통하여 금속 간 접촉 패치를 형성하기에 충분한 압력이 가해지는 강하게 접촉하는 거친 표면 돌기에서 저항형 접촉을 유발한다. 접촉 패치가 전자의 평균 자유 거리와 비슷하거나 더 작은 치수로 충분히 작으면, 패치에서의 저항은 전자가 탄도 전도로 설명될 수 있는 샤르빈 메커니즘으로 설명될 수 있다. 일반적으로 시간이 지남에 따라 접촉 패치가 확장되고 계면에서의 접촉 저항은 특히 약하게 접촉하는 표면에서 전류 유도 용접 및 유전체 파괴를 통해 완화된다. 이 과정은 저항 크리프라고도 알려져 있다. ECR 현상의 역학적 평가에서는 표면화학, 접촉 역학 및 전하 수송 메커니즘의 결합을 고려해야 한다.

 양자 한계 
도체가 에 가까운 공간 치수를 가질 때, 여기서 는 도체 재료의 페르미 파동 벡터이다. 옴의 법칙은 더 이상 적용되지 않는다. 이러한 작은 장치를 양자점 접촉이라고 부른다. 이들의 컨덕턴스는 값의 정수배여야 한다. 여기서 는 기본 전하이고 는 플랑크 상수이다. 양자점 접촉은 일상생활의 고전적인 전선보다 도파관처럼 작동하며 란다우어 산란 공식으로 설명될 수 있다. 점-접촉 양자 터널링은 초전도체를 특성화하는 중요한 기술이다.

 다른 형태의 접촉 저항 
열전도율 측정 역시 접촉 저항의 영향을 받으며, 특히 입상 매체를 통한 열 전달에서 중요하다. 이와 유사하게, 유체 흐름이 한 채널에서 다른 채널로 전환될 때 정수압 강하(전기 전압과 유사)가 발생한다.

 중요성 
불량한 접촉은 다양한 전기 장치의 고장이나 성능 저하의 원인이다. 예를 들어, 점프 케이블 클램프의 부식은 자동차의 배터리가 부족할 때 시동을 거는 것을 방해할 수 있다. 퓨즈나 퓨즈 홀더의 더럽거나 부식된 접촉은 퓨즈가 끊어졌다는 잘못된 인상을 줄 수 있다. 충분히 높은 접촉 저항은 고전류 장치에서 상당한 줄 발열을 유발할 수 있다. 예측할 수 없거나 노이즈가 많은 접촉은 전기 장비 고장의 주요 원인이다.

 같이 보기 
 접점 세정제
 젖음 전류

 각주 

 추가 자료 
 (NB. 등록 후 무료 다운로드 가능.)
 
 (NB. 이전 "Electric Contacts Handbook"의 재작성본.)
 (NB. 독일어로 된 이전 "Die technische Physik der elektrischen Kontakte" (1941)의 재작성 및 번역본이며, 로 재판본을 구할 수 있다.)
 

분류:재료과학
분류:전기저항