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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Wieso dürfen halbleiter nicht zu kalt betrieben werden ?


Autor: Svenja (Gast)
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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

Autor: D. B. (deadbuglabs)
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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.

Autor: Rumpelstilzchen Rumpel (rumpelstilz)
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Weil halbleiter NTCs sind.

Autor: Gast123 (Gast)
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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

Autor: JJK (Gast)
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Man lese vielleicht mal dies hier:
http://www.extremetemperatureelectronics.com/index.html

Tutorials, Part 1-4

juergen

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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@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  )

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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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.

Autor: Joerg Wolfram (joergwolfram)
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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

Autor: Andi ... (xaos)
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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...

Autor: Bensch (Gast)
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> 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.

Autor: Tom (Gast)
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>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.

Autor: Egal (Gast)
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Antwort C ist richtig.

Autor: Anwender (Gast)
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..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 :-)

Autor: Recorder (Gast)
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> 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.

Autor: Hauke (Gast)
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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.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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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.

Autor: J. S. (Gast)
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Bei zu niedigen Temperaturen können die Bonddrähte reissen.

Autor: MartinK (Gast)
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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)

Autor: Arno H. (arno_h)
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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

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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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.

Autor: Gast (Gast)
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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.

Autor: Axel Laufenberg (axel_5)
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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

Autor: Uwe Bonnes (Gast)
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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 ;-)

Autor: IC_Hasser (Gast)
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ja, ja ,immer weiter so,
bis alles endlich Feuer fängt und zu Asche wird.

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