Ekstremalna elektronika

Przykładem są sondy umieszczane w odwiertach, w których temperatury sięgają nawet +300°C. Do +200°C dochodzą z kolei temperatury w pobliżu silników w samolotach i samochodach. Na oddziaływanie niskich temperatur wystawione są natomiast podzespoły elektroniczne w urządzeniach używanych w przestrzeni kosmicznej, na przykład w satelitach oraz sondach badawczych.

W kosmosie są one ponadto narażone na wpływ promieniowania jonizującego, podobnie jak w elektrowniach jądrowych. Zakres dopuszczalnych temperatur pracy elementów elektronicznych zależy od wielu czynników. Najważniejsze z nich to: typ elementu, materiały wykorzystane do ich budowy (półprzewodniki, dielektryki, tworzywa sztuczne) oraz zastosowane rozwiązania konstrukcyjne.

Półprzewodniki w ekstremalnych temperaturach

W przyrządach półprzewodnikowych w wysokich temperaturach liczyć się trzeba ze zwiększeniem się natężenia prądu upływu - po przekroczeniu temperatury granicznej rośnie on wykładniczo. To, w jakim stopniu zjawisko to się nasila, zależy m.in. od typu półprzewodnika. Mniejszy prąd upływu występuje na przykład w arsenku galu niż w krzemie.

Całkiem jednak wyeliminować go nie można. Przyczyną tego zjawiska jest bowiem zależność szerokości pasma zabronionego od temperatury - im jest cieplej, tym ta pierwsza jest mniejsza. Na przykład w krzemie szerokość pasma zabronionego przy wzroście temperatury z +25 do +150°C zmienia się z 1,121 do 1,086 eV.

W rezultacie elektrony mogą łatwiej przechodzić z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. W przybliżeniu przyjmuje się, że maksymalna temperatura pracy wyrażona w kelvinach jest około 500 razy większa, niż szerokość pasma zabronionego wyrażona w eV. W przypadku krzemu będzie to zatem 560 K, czyli około 290°C.

Zakres temperatur pracy jest z kolei ograniczony od dołu przez energię wymaganą do jonizacji domieszek. Jeżeli temperatura jest zbyt niska, proces ten ulega znacznemu spowolnieniu, czego rezultatem jest za mała liczba nośników ładunku. Na przykład dla domieszkowego krzemu, gdzie energia wynosi około 0,05 eV, stan taki rozpoczyna się w temperaturze około -230°C. Z kolei w germanie z domieszkami, których energia jonizacji to około 0,01 eV, temperatura graniczna wynosi blisko -250°C.

Wyjątkiem są materiały, w których przy pewnej koncentracji domieszek, by zaszedł proces ich jonizacji, nie jest potrzebna dodatkowa energia. Na przykład w przypadku GaAs typu n jest to możliwe przy dość małej liczby domieszek - około 10¹⁶ cm^-3. Dzięki temu tranzystory z tego materiału mogą pracować w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. W przypadku krzemu wymagana jest znacznie większa koncentracja domieszek - około 10¹⁹ cm^-3.

Jak temperatura wpływa na tranzystory FET i BJT?

Generalnie parametry tranzystorów polowych w niskich temperaturach poprawiają się. Dolny limit temperatury pracy jest jednak różny w zależności od rodzaju tranzystora oraz półprzewodnika. Na przykład w przypadku krzemowych tranzystorów JFET dolna granica wynosi około -230°C, a im wyższa temperatura, tym bardziej pogarszają się ich parametry.

Dla germanowych tranzystorów JFET wartości progowe (maksymalna i minimalna) są niższe. W bardzo niskich temperaturach mogą ponadto pracować tranzystory JFET z kanałem typu n z GaAs, krzemowe MOSFET-y i heterostruktury FET, a szczególnie te z półprzewodnikami z grup III-V układu okresowego, które do jonizacji domieszek nie wymagają energii termicznej.

Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się współczynnik wzmocnienia krzemowych tranzystorów bipolarnych. Dolna wartość graniczna w ich przypadku wynosi około -170°C. Powodem tego nie jest jednak za mała ilość energii, która hamuje jonizację domieszek, lecz niska sprawność wstrzykiwania nośników z emitera do bazy. Problem ten nie dotyczy heterozłączowych tranzystorów bipolarnych, na przykład z SiGe. Dzięki temu mogą one pracować w bardzo niskich temperaturach, w takich warunkach poprawiają się również ich parametry.

Podobnie jest w przypadku tranzystorów bipolarnych z Ge i GaAs. Przy wzroście temperatury parametry tranzystorów polowych ulegają stopniowemu pogorszeniu, natomiast te bipolarnych (krzemowych) poprawiają się do momentu przekroczenia wartości granicznej. Potem jednak także się obniżają. Główną tego przyczyną jest prąd upływu w złączach p-n, w tranzystorach bipolarnych przede wszystkim w złączu kolektor-baza.

Rezystory i kondensatory w ekstremalnych temperaturach

Parametry rezystorów cienkowarstwowych i metalowych w niskich temperaturach generalnie nie ulegają znacznemu pogorszeniu. Górny zakres temperatur pracy to natomiast około +200°C - przy wyższych nasilają się w nich bowiem zmiany starzeniowe. Rezystancja pewnych typów oporników grubowarstwowych w niskich temperaturach zmienia się niewiele, innych z kolei znacznie. Wysoki jest natomiast górny limit, nawet do +500°C. W niskich temperaturach dużej zmianie ulega z kolei rezystancja oporników węglowych.

Pojemność kondensatorów polimerowych nie zmienia się wiele, ani przy wzroście, ani przy spadku temperatury. Górny limit zastosowań dla większości z nich to około +200°C, chociaż niektóre, na przykład te z fluoropolimerami, mogą pracować w jeszcze wyższych temperaturach. Pojemność kondensatorów ceramicznych o stałej dielektrycznej o wartościach małych i średnich w niskich i wysokich temperaturach (do +300°C) zmienia się nieznacznie. W przypadku tych o dużej stałej dielektrycznej w takich warunkach pojemność maleje. W skrajnych temperaturach zmienia się również pojemność kondensatorów elektrolitycznych.

Im niższa temperatura, tym ich pojemność jest mniejsza. W wysokich temperaturach z kolei może znacząco wzrosnąć. Zależność pojemności od temperatury jest silniejsza w kondensatorach elektrolitycznych aluminiowych niż tantalowych. W wyższych temperaturach maleje także rezystancja izolacji i napięcie przebicia. Kondensatory elektrolityczne też szybko tracą elektrolit i ich żywotność znacznie się skraca.

Jak chronić układy scalone przed wysoką temperaturą?

Dostępne są specjalizowane komponenty elektroniczne, w konstrukcji których zastosowano rozwiązania zwiększające ich wytrzymałość na ekstremalne temperatury. W przypadku układów scalonych przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach przykładem jest technologia SOI (Silicon on Insulator). Tradycyjne podłoże krzemowe zostaje w niej zastąpione przez "wzmocnione" składające się z trzech warstw.

Pierwszą, górną część stanowi warstwa krzemu, w której zostaje wytworzona struktura układu. Kolejną warstwą jest izolator - tlenek krzemu (SiO₂). Ostatnią warstwę stanowi cienka warstwa krzemu, która zapewnia mechaniczne wzmocnienie dla dwóch pozostałych warstw. Kluczowe znaczenie dla zastosowania układów w wysokich temperaturach ma właśnie dodatkowa warstwa izolującego dielektryka, która ogranicza przepływ prądu upływu.

Zalety SOI

Jedną z nich jest eliminacja ze struktury układu pasożytniczych warstw, które powstają pomiędzy półprzewodnikami typu n i p. Dzięki temu nie występuje zjawisko latch-up. Zaletą jest też większa gęstość upakowania, szczególnie w przypadku układów pracujących przy wysokich napięciach. Jest to ważne przykładowo w elektronice samochodowej. Układy budowane w technologii tradycyjnej do izolacji sąsiednich elementów wymagają bowiem złączy o dużym napięciu w kierunku zaporowym, co zwiększa ich grubość. Izolacja zastosowana w układach SOI pozwala tworzyć mniejsze, bardziej zwarte struktury.

Z punktu widzenia konstruktorów zastosowanie komponentów w technologii SOI znacznie upraszcza więc integrację różnych elementów w obrębie jednej struktury oraz pozwala lepiej chronić wrażliwe układy. Jest to ważne zwłaszcza w przypadku urządzeń, od których zależy bezpieczeństwo pasażerów.

O czym jeszcze trzeba pamiętać?

Oprócz tego w układach scalonych do zastosowań w wyższych temperaturach współczynniki rozszerzalności cieplnej (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) struktury półprzewodnikowej, substancji mocującej ją do dna obudowy i materiału tej ostatniej powinny mieć podobną wartość. Jeżeli bowiem CTE są niedopasowane, przy wahaniach temperatury ta pierwsza poddawana będzie silnym naprężeniom.

Jeśli struktura półprzewodnikowa jest łączona z wyprowadzeniami obudowy układu scalonego za pośrednictwem połączeń drutowych (wire bonding), trzeba także zapewnić kompatybilność materiałów, z których wykonane są te połączenia i pola kontaktowe płytki półprzewodnikowej lub zastosować połączenia jednometaliczne. Inaczej na ich styku zachodzić będą rozmaite niekorzystne zjawiska, na przykład dyfuzja. Ich skutkiem jest osłabienie i zwiększenie rezystancji tych połączeń. W wysokich temperaturach dla niektórych par metali, na przykład złota i aluminium, zjawiska te nasilają się.

Na wysokie temperatury musi być również odporna obudowa układu scalonego. Maksymalna temperatura pracy tych wykonanych z tworzyw sztucznych nie przewyższa zazwyczaj +180°C. Powyżej przekroczona zostaje temperatura zeszklenia materiału (Glass Transition Temperature).

Wówczas zmieniają się jego właściwości - staje się ciągliwy, a nawet zaczyna płynąć, i jego parametry, na przykład CTE. Dlatego osłony z plastiku są zastępowane hermetycznymi, ceramicznymi obudowami. Przed niskimi temperaturami układy elektroniczne zabezpiecza się, kontrolując i regulując temperaturę w ich otoczeniu oraz przez ich izolację.

Promieniowanie jonizujące

Skutki oddziaływania promieniowania na układy półprzewodnikowe można podzielić na trzy grupy. Promieniowanie alfa i beta powoduje jonizację materiału. Polega ona na dodawaniu lub odrywaniu się elektronów od atomów w wyniku oddziaływań elektrostatycznych ze źródłem promieniowania. Z czasem i pod wpływem temperatury efekt ten jest odwracalny.

Protony i neutrony, uderzając w półprzewodnik, uszkadzają jego sieć krystaliczną. Te pierwsze dodatkowo powodują jego jonizację. Defekty w strukturze materiału są trwałe. Promieniowanie kosmiczne z kolei, przenikając przez półprzewodnik (lub dielektryk), pozostawia w nim ślad w postaci "ścieżki" z par elektron-dziura. Ich skutkiem są m.in. przejściowe impulsy w układach analogowych, niepożądane zmiany stanów logicznych w układach cyfrowych, zjawisko latchup, zwiększony pobór prądu i przebicia w warstwach dielektryków.

Aby zabezpieczyć układy scalone przed wpływem promieniowania, m.in. stosuje się technologie SOI i SOS (Silicon on Sapphire) oraz podłoża z materiałów o szerokiej przerwie energetycznej. Przykładem tych ostatnich są: azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC). Ponadto, ze względu na ich większą odporność, układami bipolarnymi zastępuje się te wykonane w technologii CMOS, a układami SRAM - pamięci DRAM. Stosuje się też ekranowanie oraz programowe metody korekcji błędów danych.

Monika Jaworowska