O que impede que os semicondutores trabalhem abaixo de -40 ° C?

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A maioria dos dispositivos parece ser caracterizada entre -40 ° C e ≥85 ° C. O que os limita a temperaturas frias? Um IC pode ser danificado mantendo-o muito frio? Isso se aplica a outros dispositivos, por exemplo, diodos, transistores?

temperature integrated-circuit

— Thomas O
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Meu palpite é que o laboratório de testes não quer comprar uma geladeira a -50 ° C. AMD Phenom II com overclock a -170C: youtube.com/watch?v=0Ggt9pA8X_c

— joeforker

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@joeforker: De onde vem a figura "-170 ° C"? É provável que haja uma tremenda diferença entre "ambiente" (nitrogênio líquido) e a temperatura real da junção quando o processador estiver dissipando algumas centenas de watts de energia.

— Nick T

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Naturalmente, é proveniente da descrição do vídeo do YouTube, excedida pelos comentários como uma fonte de informações precisa e perspicaz.

— joeforker

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O dano a um pacote de CI a baixas temperaturas enquanto não está ligado seria devido a efeitos mecânicos; diferenças nos coeficientes de expansão térmica entre epóxi, estrutura de chumbo e matriz.

Os problemas de operação devem-se ao aumento da resistência (o coeficiente de resistência da temperatura dos semicondutores é negativo). Quando a temperatura e a concentração de dopagem são baixas o suficiente, os semicondutores se tornam essencialmente isoladores e não conduzem, causando operação não especificada.

Alguns ICs operam bem a temperaturas criogênicas, mas precisam ser aquecidos para permitir a inicialização das referências de tensão de bandgap.

Em teoria, se algum transistor "falhar" devido ao congelamento da portadora, o IC poderá se danificar em outro local (não muito provável, pois a maioria dos modos de falha é térmica e tudo no molde é muito bem acoplado).

Veja as páginas do tutorial aqui para mais informações.

Editar:

Como você observa, a maioria dos dispositivos é caracterizada entre geralmente -40 ° C a +85 ° C. Nada diz que eles não funcionarão a temperaturas criogênicas.

— Nick T
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Eu sempre esqueço de notar isso para as pessoas. Eu só quis dizer que parou de funcionar, mas poderia danificá-lo.

— Kortuk

+1 apenas para o link. Eu posso estar projetando placas para entrar em um ambiente de argônio líquido (apenas um pouquinho mais frio que o nitrogênio líquido) muito em breve, então vou precisar de conselhos práticos ...

— dmckee --- ex-moderador gatinho

@dmckee Você me deixou curioso agora :P, para que tipo de aplicativo você está usando argônio líquido? Eu imaginar azoto líquido seria muito mais barato (e ligeiramente mais frio N2 pb 77 K, Ar pb 87 K?)

— Nick T

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Um detector de física de partículas chamado câmara de projeção no tempo. Tradicionalmente, eles estão na fase gasosa, mas funcionará com os líquidos certos. Coloque um campo forte através do fluido, e as faixas de carga deixadas pela radiação ionizante desviarão (muitos cm e a uma taxa confiável) para os fios do campo (e indução), onde ele poderá ser detectado e usado para reconstruir a geometria 3D do evento . Argoneut tem fotos de um dispositivo de suporte de teste. E eu poderia jurar que o ponto de ebulição foi de 74 K. Ah, bem ...

— dmckee --- gatinho ex-moderador

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Você pode caracterizar as peças abaixo de -40, e as falhas mecânicas podem ser amplamente evitadas se o ciclo de temperatura for lento.

Algumas opções de pacotes funcionam, outras não. heheh você tem que fazer esse experimento sozinho.

Você pode caracterizar peças abaixo de 0 ° C (usando facilmente um freezer doméstico).

Os astrônomos adoram mergulhar coisas em nitrogênio líquido para se livrar do ruído térmico em seus chips de câmera e conversores A / D.

Para condições extremas, encaixe os aquecedores em peças significativas (capas grandes, ICs com problemas).

Em seguida, seus sistemas de sequenciamento de energia ligam os aquecedores até que as peças estejam na faixa de temperatura que você caracterizou.

— Tim Williscroft
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Além dos aspectos físicos do silício frio, o -40 / 85C tende a atender às condições mais rigorosas que a maioria das pessoas precisaria (comercial / industrial).

Praticamente, caracterizar um dispositivo é um processo demorado, pois requer equipamentos de teste e outros equipamentos capazes da faixa de temperatura. Não se trata de comprar um freezer melhor, pois muitos dispositivos são caracterizados usando o mesmo equipamento de teste usado para testes de produção. A parte divertida é coletar e analisar os dados de caracterização apenas para perceber que o equipamento de teste congelou e começou a coletar dados de lixo.

— Apito1560
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Só porque o congelador é o mesmo não significa que não há custo extra para o teste. Cada grau mais baixo que você deseja testar custa tempo, o que significa dinheiro.

— Warren Young