¿Qué impide que los semiconductores trabajen por debajo de -40 ° C más o menos?

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La mayoría de los dispositivos parecen caracterizarse entre -40 ° C y ≥85 ° C. ¿Qué los limita a las bajas temperaturas? ¿Se puede dañar un IC manteniéndolo demasiado frío? ¿Se aplica esto a otros dispositivos, por ejemplo, diodos, transistores?

Thomas O
fuente
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Supongo que el laboratorio de pruebas no quiere comprar un refrigerador a -50 ° C. Overclocking AMD Phenom II a -170C: youtube.com/watch?v=0Ggt9pA8X_c
joeforker
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@joeforker: ¿De dónde viene la cifra "-170 ° C"? Es probable que haya una tremenda diferencia entre el "ambiente" (nitrógeno líquido) y la temperatura real de la unión cuando el procesador está disipando unos pocos cientos de vatios de potencia.
Nick T
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Proviene de la descripción en el video de Youtube, por supuesto, solo superada por los comentarios como una fuente de información precisa y perspicaz.
joeforker

Respuestas:

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El daño a un paquete de CI a bajas temperaturas mientras está sin energía se debería a efectos mecánicos; diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre el epóxico, el marco de plomo y la matriz.

Los problemas con la operación se deberían a una mayor resistencia (el coeficiente de resistencia a la temperatura de los semiconductores es negativo). Cuando la temperatura y la concentración de dopaje son lo suficientemente bajas, los semiconductores se convertirán esencialmente en aislantes y no se conducirán en absoluto, causando una operación no especificada.

Algunos circuitos integrados funcionarán bien a temperaturas criogénicas, pero deben comenzar a calentarse para permitir el arranque de las referencias de voltaje de banda prohibida.

En teoría, si algún transistor "falla" debido a la congelación del portador, el IC podría dañarse en otro lugar (no es muy probable, ya que la mayoría de los modos de falla son térmicos, y todo en el dado está muy estrechamente acoplado).

Vea las páginas del tutorial aquí para más.

Editar:

Como puede observar, la mayoría de los dispositivos se caracterizan generalmente entre -40 ° C y +85 ° C. Nada dice que no funcionarán hasta temperaturas criogénicas.

Nick T
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Siempre me olvido de señalar eso a las personas. Solo quería decir que dejó de funcionar, pero podría dañarlo.
Kortuk
+1 solo para el enlace. Puede que esté diseñando tableros para ir en un entorno de argón líquido (solo un poquito más frío que el nitrógeno líquido) muy pronto, así que voy a necesitar consejos prácticos ...
dmckee --- gatito ex moderador
@dmckee Ahora tienes curiosidad :P, ¿para qué tipo de aplicación estás usando argón líquido? Me imagino que el nitrógeno líquido sería mucho más barato (¿y un poco más frío? N2 pb 77 K, Ar pb 87 K)
Nick T
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Un detector de física de partículas llamado cámara de proyección de tiempo. Tradicionalmente han estado en fase gaseosa, pero funcionará con los líquidos adecuados. Coloque un campo fuerte a través del fluido, y las pistas de carga dejadas por la radiación ionizante se desplazarán (muchos cm y a una velocidad confiable) hacia los cables del campo (e inducción) donde se pueden detectar y utilizar para reconstruir la geometría 3D del evento. . Argoneut tiene imágenes de un dispositivo de prueba. Y podría haber jurado que el punto de ebullición fue de 74 K. Ah, bueno ...
dmckee --- ex-moderador gatito
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Puede caracterizar las piezas usted mismo por debajo de -40, y las fallas mecánicas se pueden evitar en gran medida si el ciclo de temperatura es lento.

Algunas opciones de paquete funcionan, otras no. jeje tienes que hacer ese experimento tú mismo.

Puede caracterizar piezas por debajo de 0C usted mismo (fácilmente usando un congelador doméstico).

A los astrónomos les encanta sumergir cosas en nitrógeno líquido para eliminar el ruido térmico en sus chips de cámara y convertidores A / D.

Para condiciones extremas, coloque los calentadores en partes significativas (tapas grandes, circuitos integrados problemáticos).

Luego, sus sistemas de secuencia de potencia encienden los calentadores hasta que las piezas estén en el rango de temperatura que usted ha caracterizado.

Tim Williscroft
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Además de los aspectos físicos del silicio frío, -40 / 85C tiende a adaptarse a las condiciones más estrictas que la mayoría de las personas necesitarían (comercial / industrial).

Prácticamente, la caracterización de un dispositivo es un proceso que requiere mucho tiempo porque requiere accesorios de prueba y otros equipos capaces del rango de temperatura. No se trata de comprar un mejor congelador, ya que muchos dispositivos se caracterizan por usar el mismo equipo de prueba utilizado para las pruebas de producción. La parte divertida es recopilar y analizar los datos de caracterización solo para darse cuenta de que el dispositivo de prueba se congeló y comenzó a recopilar datos basura.

Silbato1560
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El hecho de que el congelador sea el mismo no significa que la prueba no tenga un costo adicional. Cada grado más bajo que desea evaluar cuesta tiempo, lo que significa dinero.
Warren Young