Supongamos que tengo un transistor IGBT clasificado para 60 A, que tiene un rango de temperatura de unión de -55 a 175 ° C. ¿Qué sucede si no excedo la corriente máxima, pero sí excedo la temperatura máxima? Las características en las hojas de datos no parecen tener ningún cambio alrededor del límite máximo de temperatura, ¿cuál es el problema? Me gustaría ver algo de física básica detrás de esto en la explicación.
Como usted sabe, los dispositivos semiconductores se fabrican dopando un sustrato de silicio muy puro (u otro material semiconductor, menos común) que utiliza varios tipos de iones. El dopaje de diferentes zonas del semiconductor con diferentes tipos y concentraciones de dopantes produce los diferentes tipos de dispositivos semiconductores a los que está acostumbrado (diodos, BJT, FET) y también (en circuitos integrados) resistencias y condensadores.
Los iones dopantes le dan al cristal semiconductor sus propiedades, pero son algo intrusos en la red semiconductora intrínseca regular, ya que todo sistema termodinámico a una temperatura superior a 0K tiende, si se deja evolucionando, a un estado de concentración uniforme de especies químicas. En otras palabras, los iones tienden a alejarse de su posición para hacer que su concentración en el cristal sea uniforme. Este fenómeno se llama difusión y se contrasta con las fuerzas de los enlaces químicos que mantienen unido el cristal.
Tenga en cuenta que cuanto mayor sea la cantidad de difusión iónica, las regiones más diferentes del chip pierden su "identidad", es decir, sus características como dispositivos electrónicos.
Este efecto es acelerado por la temperatura alta porque la agitación térmica tiende a romper los enlaces químicos: los iones con mayor energía térmica se difunden con mayor facilidad.
Este fenómeno siempre está presente, incluso a temperatura ambiente, pero por lo general es insignificante. Sin embargo, la migración iónica no es un efecto lineal, sino exponencial: por lo tanto, aumenta dramáticamente con la temperatura. La temperatura máxima indicada por el fabricante es un umbral bajo el cual el fabricante puede garantizar que el dispositivo no se dañará durante la vida útil esperada de la pieza. Sobre esa temperatura, todas las apuestas están apagadas y la migración iónica y otros efectos relacionados con la temperatura pueden dañar el dispositivo en un tiempo relativamente corto, es decir, la parte podría acortar su posible vida útil.
Por supuesto, si la temperatura máxima es de 175 ° C y ejecuta la parte a 180 ° C, normalmente no fallará de inmediato, pero degradará su rendimiento lentamente. Cuanto más alta sea la sobretemperatura, más rápida será la degradación.
Sin embargo, también hay otros efectos. A altas temperaturas, los pequeños cables que conectan el chip a los terminales del paquete (cables de enlace) podrían sufrir daños por las tensiones térmicas: los materiales que componen el componente tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, por lo tanto, si el cable de enlace se expande menos que el material circundante, puede dañarse por la tensión mecánica excesiva, por ejemplo. Este mismo mecanismo puede dañar la pieza a bajas temperaturas (a -60 ° C, incluso puede tener grietas en el paquete, si tiene la mala suerte).
Los límites de temperatura en la electrónica de grado común se definen principalmente por empaque. El propio silicio tiene una separación de banda lo suficientemente grande como para funcionar a temperaturas hasta + 300 ° C . Sin embargo, la metalización en el chip, los enlaces de cables y el estuche de plástico no están diseñados para soportar altas temperaturas. Se deteriorarán rápidamente o se agrietarán debido a los coeficientes de expansión térmica incomparables.
Otro punto a considerar es el escape térmico (o, más específicamente, desglose secundario en el caso de BJTs) . Los transistores de grado común no están diseñados para evitarlo, y pueden dañarse a altas temperaturas incluso si la corriente permanece dentro de las especificaciones. De hecho, los dispositivos que utilizan dichos transistores también están diseñados sin ninguna protección térmica fuera de control, por lo que la corriente generalmente hace excede la calificación máxima, lo que resulta en humo mágico.
No hace falta decir que no debe esperar que el BJT (o cualquier otro dispositivo) respete sus especificaciones si lo ejecuta por encima de la temperatura máxima. Sus características no cambiarán bruscamente cuando cruce el límite de 175 ° C, pero se desviarán aún más a medida que aumente la temperatura.
El efecto más dominante que limita el rango de temperatura para el uso de un transistor es la conductancia intrínseca.
Un semiconductor no inclinado tiene algunos pares de agujeros de electrones. El número de portadores libres depende de la temperatura y se puede calcular con la distribución fermi. Después de esto, un silicio sin dopar será un buen conductor a 300 ° C porque hay suficientes portadores libres para formar corrientes eléctricas.
Esta conductancia intrínseca también está presente en los semiconductores dopados, lo cual es comprensible considerando los pocos átomos (0,1 - 100 ppm) de dopand entre los vastos espacios de cristal sin dopar.
Si bien el funcionamiento de un transistor se basa en la ausencia total de portadores en ciertas áreas (zonas de agotamiento en la región pn), queda bastante claro que esta característica ya no funciona si se produce una conductancia intrínseca. Entonces, a 300 ° C, un Si-BJT o -MOSFET es totalmente funcional.
La conductancia intrínseca es una característica presente en todas las temperaturas por debajo de 0K, sin embargo, a temperatura ambiente prevalecen los efectos de la dopanda. Con el aumento de las temperaturas, la conductancia intrínseca se vuelve prominente sobre la función deseada del transistor hasta que se vuelve inutilizable. Uno puede anticipar esto mirando las curvas en la hoja de datos que representan los parámetros dependientes de la temperatura.
Para la mayoría de los semiconductores basados en Si, la operación a más de 200 ° C conducirá a altas corrientes de fuga, lo que no es deseable en la mayoría de los diseños de circuitos.
Como se señaló en @LorenzoDonati, la degradación del chip también es un efecto a considerar. Si todo el chip mantiene una temperatura de 200 ° C no fue un problema. Pero debido a la conductancia intrínseca en el semiconductor, los llamados puntos calientes tienden a formarse. Estas son regiones de alguna manera fuera de control que se calientan más rápido que el resto. Esto lleva a una sobretemperatura local con procesos de difusión acelerados y la eventual destrucción del transistor.
Los límites de temperatura más bajos se deben a los diferentes coeficientes de expansión del chip, el marco de plomo y la carcasa, que pueden agrietar el dispositivo al enfriarlo demasiado.
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