¿Qué sucede con el transistor fuera del rango de temperatura máxima?

Como sabrá, los dispositivos semiconductores se fabrican dopando un sustrato de silicio muy puro (u otros materiales semiconductores menos comunes) utilizando varios tipos de iones. Dopar 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 de semiconductores intrínseca regular, ya que todo sistema termodinámico a una temperatura superior a 0K tiende, si se deja evolucionar, a un estado de concentración uniforme de especies químicas. En otras palabras, los iones tienden a alejarse de su posición para uniformar su concentración en el cristal. 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 es la cantidad de difusión iónica, más regiones diferentes del chip pierden su "identidad", es decir, sus características como dispositivos electrónicos.

Este efecto se acelera con la alta temperatura porque la agitación térmica tiende a romper los enlaces químicos: los iones con mayor energía térmica se difunden más fácilmente.

Este fenómeno está siempre presente, incluso a temperatura ambiente, pero suele ser insignificante. Sin embargo, la migración iónica no es un efecto lineal, sino exponencial: por lo que aumenta drásticamente con la temperatura. La temperatura máxima indicada por el fabricante es un umbral por debajo del cual el fabricante puede garantizar que el dispositivo no sufrirá daños durante la vida útil esperada de la pieza. Por encima de esa temperatura, todas las apuestas están canceladas 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 tener su vida útil prevista acortada.

Por supuesto, si la temperatura máxima es de 175 °C y ejecuta la pieza a 180 °C, por lo general no fallará de inmediato, pero degradará lentamente su rendimiento. Cuanto mayor sea la sobretemperatura, más rápida será la degradación.

Aunque también hay otros efectos. A altas temperaturas, los diminutos cables que conectan el chip a los terminales del paquete (cables de unión) pueden dañarse debido a las tensiones térmicas: los materiales que forman el componente tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, por lo tanto, si el cable de unión se expande menos que el material que lo rodea, puede dañarse por una tensión mecánica excesiva, por ejemplo. Este mismo mecanismo puede dañar la pieza a bajas temperaturas (a -60°C puede incluso tener grietas en el paquete, si no tiene suerte).

Los límites de temperatura en la electrónica de grado común se definen principalmente por el embalaje. El propio silicio tiene una banda prohibida lo suficientemente grande como para funcionar a temperaturas de hasta +300 °C . Sin embargo, la metalización en el chip, las uniones de cables y el plástico de la carcasa 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 la fuga térmica (o, más específicamente, la ruptura secundaria en el caso de los BJT). 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 tales transistores también están diseñados sin ninguna protección contra fugas térmicas, por lo que la corriente generalmente supera la clasificación máxima, lo que da como resultado un humo mágico.

No hace falta decir que no debe esperar que el BJT (o cualquier dispositivo) respete sus especificaciones si lo ejecuta por encima de la temperatura máxima. Sus características no cambiarán abruptamente cuando cruces 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 dopado tiene algunos pares electrón-hueco. 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 no dopado.

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 función ya no funciona si se produce una conductancia intrínseca. Entonces, a 300 ° C, un Si-BJT o -MOSFET es totalmente disfuncional.

La conductancia intrínseca es una característica presente en todas las temperaturas por debajo de 0 K, sin embargo, a temperatura ambiente prevalecen los efectos de dopand. Con el aumento de las temperaturas, la conductancia intrínseca se vuelve prominente sobre la función deseada del transistor hasta que queda 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 por encima de 200 °C dará lugar a altas corrientes de fuga, lo que no es deseable en la mayoría de los diseños de circuitos.

Como señaló @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, tienden a formarse los llamados puntos calientes. Estas son de alguna manera regiones fuera de control que se calientan más rápido que el resto. Esto conduce 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 conexiones y la carcasa que pueden romper el dispositivo cuando se enfría demasiado.