Was passiert mit einem Transistor außerhalb des maximalen Temperaturbereichs?

Wie Sie vielleicht wissen, werden Halbleiterbauelemente hergestellt, indem ein Substrat aus sehr reinem Silizium (oder anderen, weniger verbreiteten Halbleitermaterialien) mit verschiedenen Arten von Ionen dotiert wird. Das Dotieren verschiedener Zonen des Halbleiters mit verschiedenen Arten und Konzentrationen von Dotierstoffen erzeugt die verschiedenen Arten von Halbleiterbauelementen, an die Sie gewöhnt sind (Dioden, BJTs, FETs) und auch (auf integrierten Schaltkreisen) Widerstände und Kondensatoren.

Die Dotierungsionen verleihen dem Halbleiterkristall seine Eigenschaften, aber sie sind gewisse Eindringlinge in das reguläre intrinsische Halbleitergitter, da jedes thermodynamische System bei einer Temperatur über 0 K dazu neigt, wenn es sich weiter entwickelt, zu einem Zustand gleichförmiger Konzentration chemischer Spezies zu gelangen. Mit anderen Worten, die Ionen neigen dazu, sich von ihrer Position wegzubewegen, um ihre Konzentration im Kristall gleichmäßig zu machen. Dieses Phänomen wird Diffusion genannt und steht im Gegensatz zu den Kräften der chemischen Bindungen, die den Kristall zusammenhalten.

Beachten Sie, dass je größer die Menge an Ionendiffusion ist, desto mehr unterschiedliche Bereiche des Chips verlieren ihre "Identität", dh ihre Eigenschaften als elektronische Vorrichtungen.

Dieser Effekt wird durch hohe Temperaturen beschleunigt, da die thermische Bewegung dazu neigt, chemische Bindungen zu zerstören: Ionen mit höherer thermischer Energie diffundieren leichter.

Dieses Phänomen ist auch bei Raumtemperatur immer vorhanden, aber normalerweise vernachlässigbar. Dennoch ist die Ionenwanderung kein linearer Effekt, sondern ein exponentieller: Sie nimmt also dramatisch mit der Temperatur zu. Die vom Hersteller angegebene maximale Temperatur ist ein Schwellenwert, unter dem der Hersteller garantieren kann , dass das Gerät während der erwarteten Lebensdauer des Teils nicht beschädigt wird. Oberhalb dieser Temperatur sind alle Wetten abgeschlossen, und Ionenmigration und andere temperaturbezogene Effekte können das Gerät in relativ kurzer Zeit tatsächlich beschädigen, dh das Teil könnte seine voraussichtliche Betriebslebensdauer verkürzen.

Wenn die maximale Temperatur 175 ° C beträgt und Sie das Teil bei 180 ° C betreiben, fällt es normalerweise nicht sofort aus, aber es verschlechtert langsam seine Leistung. Je höher die Übertemperatur, desto schneller die Degradation.

Es gibt aber auch andere Effekte. Bei hohen Temperaturen könnten die winzigen Drähte, die den Chip mit den Gehäuseanschlüssen (Bonddrähte) verbinden, durch thermische Spannungen beschädigt werden: Die Materialien, aus denen die Komponente besteht, haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wenn sich der Bonddraht daher weniger ausdehnt als das umgebende Material, kann dies der Fall sein beispielsweise durch zu hohe mechanische Spannung beschädigt werden. Derselbe Mechanismus kann das Teil bei niedrigen Temperaturen beschädigen (bei -60 °C kann es sogar zu Rissen in der Verpackung kommen, wenn Sie Pech haben).

Temperaturgrenzen in gängiger Elektronik werden hauptsächlich durch die Verpackung definiert. Silizium selbst hat eine Bandlücke, die groß genug ist, um bei Temperaturen bis zu +300 °C zu arbeiten . On-Chip-Metallisierung, Drahtbonds und Gehäusekunststoff sind jedoch nicht dafür ausgelegt, hohen Temperaturen standzuhalten. Sie verschlechtern sich entweder schnell oder reißen aufgrund unübertroffener Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist das thermische Durchgehen (oder genauer gesagt der sekundäre Ausfall im Fall von BJTs). Herkömmliche Transistoren sind nicht darauf ausgelegt, dies zu verhindern, und können bei hohen Temperaturen beschädigt werden, selbst wenn der Strom innerhalb der Spezifikation bleibt. Tatsächlich sind Geräte, die solche Transistoren verwenden, ihrerseits ebenfalls ohne thermischen Runaway-Schutz ausgelegt, sodass der Strom normalerweise die maximale Nennleistung überschreitet, was zu magischem Rauch führt .

Unnötig zu erwähnen, dass Sie nicht erwarten sollten, dass der BJT (oder ein anderes Gerät) seine Spezifikationen einhält, wenn Sie ihn über der maximalen Temperatur betreiben. Seine Eigenschaften ändern sich beim Überschreiten der 175°C-Grenze nicht abrupt, weichen aber mit steigender Temperatur weiter ab.

Der dominanteste Effekt, der den Temperaturbereich für die Verwendung eines Transistors einschränkt, ist die Eigenleitfähigkeit.

Ein undotierter Halbleiter hat einige Elektron-Loch-Paare. Die Anzahl der freien Ladungsträger hängt von der Temperatur ab und kann mit der Fermiverteilung berechnet werden. Danach ist ein undotiertes Silizium bei 300°C ein ziemlich guter Leiter, da genügend freie Ladungsträger vorhanden sind, um elektrische Ströme zu bilden.

Diese Eigenleitfähigkeit ist auch in dotierten Halbleitern vorhanden, was verständlich ist, wenn man die wenigen Atome (0,1 - 100 ppm) Dotierstoff zwischen den riesigen Zwischenräumen des undotierten Kristalls berücksichtigt.

Während die Funktion eines Transistors auf der völligen Abwesenheit von Ladungsträgern in bestimmten Bereichen (Verarmungszonen im pn-Bereich) beruht, ist es ziemlich klar, dass dieses Merkmal nicht mehr funktioniert, wenn eine Eigenleitung vorhanden ist. Bei 300 °C ist ein Si-BJT oder -MOSFET also völlig funktionsunfähig.

Die Eigenleitfähigkeit ist ein Merkmal, das bei allen Temperaturen unter 0 K vorhanden ist, jedoch überwiegen bei Raumtemperatur die Effekte der Dotierung. Bei steigenden Temperaturen wächst der Eigenleitwert über die gewünschte Funktion des Transistors hinaus, bis er unbrauchbar wird. Man kann dies erahnen, indem man sich die Kurven im Datenblatt ansieht, die die temperaturabhängigen Parameter darstellen.

Für die meisten Si-basierten Halbleiter führt der Betrieb über 200°C zu hohen Leckströmen, was in den meisten Schaltungsdesigns unerwünscht ist.

Wie von @LorenzoDonati angemerkt, ist die Verschlechterung des Chips ebenfalls ein zu berücksichtigender Effekt. Wenn der ganze Chip eine Temperatur von 200°C hält, war das kein Problem. Aufgrund der Eigenleitfähigkeit im Halbleiter bilden sich jedoch sogenannte Hot Spots. Dies sind irgendwie außer Kontrolle geratene Regionen, die sich schneller erwärmen als der Rest. Dies führt zu lokaler Übertemperatur mit beschleunigten Diffusionsvorgängen und schließlich zur Zerstörung des Transistors.

Die unteren Temperaturgrenzen sind auf die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Chip, Leadframe und Gehäuse zurückzuführen, die bei zu starker Abkühlung zu Rissen im Bauteil führen können.