Wieso dürfen halbleiter nicht zu kalt betrieben werden ?

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.

Weil halbleiter NTCs sind.

@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...

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.

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.

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