Hallo zusammen, Bei den Datenblättern vieler IC's sind Temperaturbereiche angeben von z.B -40 bis +120 Grad C. Das ein Halbleiter nicht zu heiss werden darf ist ja klar, denn dann schmilzt das Silitzium. Aber welcher Effekt sorgt dafür das ein IC nicht mehr funktioniert, was kälter als -40 grad betrieben wird ? Svenja
In Halbleitern steigt der Widerstand mit abnehmender Temperatur. Irgendwann stehen die Elektronen :). Ein weiteres Problem, kann ich mir vorstellen, ist, dass die Packages das einfach nicht mitmachen und irgendwie kaputt gehen.
so im groben: Kalt: die Bindung wird fest und es gibt kaum Bewegliche Atome -> kein Stromfluss - Bewegst dich ja auch langsammer wenn es Kalt wird... genau das Gegenteil passiert wenn es warm wird -> Bindungen brechen allein durch Wärmeenergie auf -> schlecht einer der Gründe wieso die Freaks die N2 zur Kühlung nehmen perverse Ströme und Spannungen brauchen
Man lese vielleicht mal dies hier: http://www.extremetemperatureelectronics.com/index.html Tutorials, Part 1-4 juergen
@Gast123, ne, die brauchen die extreme Spannungen / Ströme um die Kondensatoren im Prozessor in kürzerer Zeit aufladen zu können -> höhere Taktfrequenz. Leider hat dies auch den Nachteil dass der Prozessor wärmer als normal wird, denn die Wärme ergibt sich aus P(notwendige Leistung um alle Gates aufzuladen) x t(Zeit die zur Verfügung steht). Wenn nun t kleiner wird habe ich mehr t pro Stunde und damit mehr Abwärme :) Klingt kompiliziert, ist aber so Anselm (müde... g )
Der -40 Grad Bereich ist ein Frage des Gehaeuses. Der chip ist irgendwie an der bodenplatte, ueblicherweise auch einem signalanschluss, befestigt. Bei zu vielen Zyklen ueber einen zu grossen Temperaturbereich loest sich diese Verbindung. Das Einfrieren der Ladungstrager kommt einiges tiefer. All die Halbleiterleitfaehigkeiten sind temperaturabhaengig. Ab einer gewissen Komplexitaet, welche schon bei zwei Transistoren erreicht sein kann, passen die Parameter nicht mehr zusammen. Dh mn kann nun Einzelhalbleiter ueber die Temperatur ausmessen und eine schaltung diskret aufbauen. Sodass die widerstaende fuer einen Temperaturbereich zum Halbleiter passen. Die bipolaren Halbleiter, dh NPN & PNP haben immer eine Temperatur im Exponenten fuer die Diodenspannungen. Das wird irgendwann mal muehsam. Unterhalb arbeitet man dann ausschliesslich mit FETs. Meines Wissens kommt man bis auf 20K runter.
Der angegebene Temperaturbereich sagt erstmal nur aus, dass die im Datenblatt angegebenen Werte nur in diesem Bereich garantiert werden. Darüber hinaus KÖNNEN Abweichungen bei einzelnen Parametern bis hin zum Nichtfuktionieren auftreten. Jörg
bei allen halbleiter kommt es bei zu tiefen temperaturen zum "ausfrieren" der dotierung. dh die ladungsträger sind nicht mehr ionisiert und das ganze ding wird zu nem isolator...
> Das ein Halbleiter nicht zu heiss werden darf ist
ja klar, denn dann schmilzt das Silitzium.
Nee is klar, aber vorher ist das Plasitk verdampft unfd die
Anschlussdrähte geschmolzen....
Einige gute Antworten- aber leider auch viel Schrott zum schmunzeln.
>bei allen halbleiter kommt es bei zu tiefen temperaturen zum >"ausfrieren" der dotierung. dh die ladungsträger sind nicht mehr >ionisiert und das ganze ding wird zu nem isolator... Ach du liebes Lieschen. Nicht alles was hinkt, ist ein Vergleich. Also, wenn was "ausfriert" dann sind es die freien Elektronen, nicht die Dotierung. Und die Ladungsträger sind auch nicht ionisiert. Die Ladungsträger im Halbleiter sind Elektronen und Löcher und sie entstehen bestenfalls durch etwas wie Ionisierung der Dotierungsatome.
..zum Thema 'Erfrieren von Halbleitern': Wir haben hier Dioden als Thermometer verwendet, um Temperaturen zwischen etwa 1.4K(!) und 4K zu messen. Funktioniert einwandfrei wenns mal geeicht ist. Ist aber nix für den Hobbykeller.. :-) Wer genaueres wissen will, der google nach 'Thermometrie bei tiefen Temperaturen'. Die Sache mit dem steigenden Widerstand von Halbleitern usw. stimmt schon. Aber die angegebene Grenze von -40°C dürfte eine mehr oder weniger willkürlich gewählte sein. Auf gut deutsch: "Des Bauteil kannst bedenkenlos einsetzen solange Du es nicht in flüssigem [Stickstoff, Helium, ..] versenkst oder in der (Ant)Arktis einbuddelst." Und darauf sind dann auch das Bonding und das Gehäuse ausgelegt: Alltagstauglichkeit :-)
> Aber welcher Effekt sorgt dafür das ein IC nicht mehr funktioniert
Das ist keine Sache des (elektrischen) Funktionierens eines IC, es wird
mit sinkender Temperatur sogar immer besser weil die Eigenleitung als
Störfaktor abnimmt (Werbung von früher: Was kalt ist, lebt länger).
Es sind die (mechanischen) Eigenschaften aller verwendeten Materialien
und die Technologien die seine (Gesamt-)Funktions-Fähigkeit
einschränken.
Ich arbeite in einer Fa. die elrktr. Bauelemente herstellt, und muss diese testen. Bei -55°C ist einfach Schluß weil der Aufwand zunimmt diese Kälte zu erzeugen (im Dauertest) Und -40 °C ist halt das wo die Tests aufhören, d.h. die Spezifikation geht auch nicht weiter runter weils eh keiner braucht. Für Luftfahrt genügen -55°C und für Raumfahrt spielt Geld eh keine Rolex.
Ja. wir haben hier Kuehlschraenke die machen -80 Grad. Da sind 2 Kompressoren drin in 2 kaskadierten Kreislaeufen. Der eine kuehlt von Raumtemperatur auf -35 Grad oder so, der zweite macht dann die -80. Mit 8kEuro ist man dabei fuer einen Kleinen.
Bei zu niedigen Temperaturen können die Bonddrähte reissen.
Viele Halbleiter werden im Consumer-Bereich eingesetzt. Würde der Hersteller den Temperaturbereich beispielsweise bis -70°C spezifizieren, dann käme doch sofort der Verdacht auf, dass die Halbleiter zu teuer sind, und man lieber billigere für einen Temperaturbereich bis -20°C haben will. (auch wenn es in den Herstellungskosten gar keinen Unterschied machen würde)
Die -55°C der MIL- und Luftfahrtspecs entsprechen schlicht und einfach der (gerundeten) Temperatur der Tropopause, 125°C sind die Grenze des auf Dauer Erträglichen für Lötstellen mit verbleitem Lötzinn. Ausserdem dürfte den damaligen Verantwortlichen die Änderung elektrischer und mechanischer Werte über diesen Bereich schon einiges Kopfzerbrechen bereitet haben. Arno
Svenja schrieb:
> denn dann schmilzt das Silitzium.
:-)) Dann guck dir mal an, bei welchen Temperaturen Silizium schmilzt.
Bei hohen Temperaturen nehmen (neben anderen Dingen) Diffusionseffekte
zu. Mit genau solchen Effekten werden die Halbleiterbauteile herge-
stellt (oft bei mehr als 1000 °C). Allerdings werden diese Effekte
im Herstellungsprozess gezielt gestoppt, um bestimmte Schichtdicken
(vor allem von Sperrschichten) zu erreichen. Wenn man nun die Tempe-
ratur im Betrieb zu weit erhöht, setzen sich derartige Prozesse fort,
und dann gibt es irgendwann keine Sperrschicht mehr.
das erste was schmilzt wird (nur für den HL) das ALU der Bondlands sein. Bonddrähte reißen auch nicht bei niederiger Temperatur. Jedoch werden sich die Bonds auf Grund des mechanischen Stresses irgenwannn lösen, oder aber das Silizium-DIE wird schlichtweg reißen (Chipriss). Im wesentlichen limitierend ist die Verpackung. Zum Beispiel sind Leistungshalbleiter oder Typen mit MIL-Norm gerne in Keramikgehäusen verpackt, da sich dort die thermischen Ausdehnungskoeefizienten besser ans Silizium annähern lassen. typischen Normen sind für die Consumergteschichten -25°C - +85°C, automotive -40°C - +125°C und dann der MIL-Kram mit -55°C - (140°C?). Diese Specs müssen aufwendig geprüft werden, dass kostet schlichtweg Geld und fließ in die Produktkosten ein.
Die Grenze ist willkürlich gewählt. Wobei es wohl schlicht daran liegt, dass es kaum Anwendungen gibt, die bei weniger als -40° genutzt werden. Ansonsten gibt es ja noch den Consumerbereich, wo man teilweise auf 0°C geht. Aber prinzipiell ist das Problem einfach, dass die Bausteine mit sinkender Temperatur immer schneller werden. Irgendwann führt das eben auch zu Ausfällen, weil bei einer synchronen Schaltung dann die Signale von einem FF zum nächsten zu schnell werden und nicht erst im nächsten, sondern schon im gleichen Takt übernommen werden. Dann schiebt z. B. so ein Schieberegister dann schon mal zwei Stellen statt nur einer. Wenn man weiter runter will, kann man das natürlich erreichen, indem die Signale verzögert und zusätzliche Verzögerungsglieder einfügt. Die aber Platz und somit Geld kosten. Auf der anderen Seite (>125°C) werden die Schaltungen schlicht zu langsam, um unter allen Spannungsbedingungen den gewünschten Takt zu erreichen, weil die Signale von einem FF zum nächsten zu lange brauchen. Da wird dann das Verzögern, um die tiefen Temperaturen zu erreichen zum Problem. Bei analogen Komponenten wie Oszilatoren wird das dann noch kniffeliger. Da man aber irgendwo dazwischen bleiben will (nicht zuletzt, um die Ausbeute zu optimieren), muss man also einen Temperaturausschnitt nehmen, der handhabbar ist. Also idealerweise -40° - +125°, was wohl so ziemlich alles wesentliche abdeckt, was auch im Automobil oder Industriebereich benötigt wird. Gehäuse etc. müssen dann entsprechend qualifiziert werden. Aber ich habe bisher nicht gehört, dass die im Minusbereich Probleme haben, und im Plusbereich wird das eh durchs Löten begrenzt. Gruss Axel
Bei hohen Temperaturen wird das Gehauese undicht, und der Rauch entwicht, mit dem Halbleiter funktionieren. Und bei tiefen Temperaturen friert der Rauch aus, und der Baustein funktioniert auch nicht mehr richtig ;-)
ja, ja ,immer weiter so, bis alles endlich Feuer fängt und zu Asche wird.
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