Γιατι όσο μειώνουμε τη θερμοκρασία, αυξάνονται τα ΜΗz και η σταθερότητα ???

[backgroundman]

Σε αδερφό forum πριν λίγο καιρό έγινε η παραπάνω ερώτηση και μετά απο ψάξιμο βρήκα την απάντηση και είπα να την βάλω και στο δικό μας forum γιατι μου φάνηκε πολύ ενδιαφέρον. Ας δούμε λοιπόν γιατί μπορούμε με σταθερή τάση Vcore να ανέβουμε περισσότερο όσο μειώνουμε τη θερμοκρασία...

Το ρολόι του κάθε ολοκληρωμένου (λογικά) πρέπει να έχει σχέση με το πόσο γρήγορα μπορεί να "ανοιγοκλείσει" τα τρανζίστορ του. Άρα έχει σχέση με την χρονική απόκριση της επαφής. Η επαφή μπορεί να μελετηθεί σαν ενα κύκλωμα RC οπου το R και το C δίνεται απο συγκεκριμένους τύπους της φυσικής ημιαγωγών. Η χρονική απόκριση ενός τέτοιου κυκλώματος εξαρτάται (ανάλογα) απο τη χρονική σταθερά που είναι ανάλογη του RC. Η αντίσταση R εξαρτάται απο τη θερμοκρασία και όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται και η αντίσταση. Η χωριτηκότητα της επαφής εξαρτάται απο τη θερμοκρασία (και συγκεκριμένα απο τη T^1/2) οπως δείχνουν και οι τύποι παρακάτω.

Επομένως όσο μειώνεται η θερμοκρασία, μειώνεται η χωριτηκότητα της επαφής (άρα για να το πούμε απλά μειώνεται η περιοχή απογύμνωσης και συνεπώς μειώνεται η διαδρομή που θα διανύσουν οι φορείς όταν αλλάξει state το τρανζίστορ).

Απο αυτά καταλαβαίνουμε οτι η χρονική απόκριση ενός τρανζίστορ (και άρα ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος) εξαρτάται ισχυρά απο τη θερμοκρασία και με μείωση αυτής έχουμε μείωση της χρονικής απόκρισης, άρα τα τρανζίστορ μπορούν να αλλάξουν state πιο γρήγορα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

link

[backgroundman]

Όσον αφορά το κάτω όριο της θερμοκρασίας, για σωστή λειτουργία, βρήκα απο ένα βιβλίο για φυσική ημιαγωγών το παρακάτω διάγραμμα, το οποίο απεικονίζει τον αριθμό ενδογενών φορέων / cm^3 (n0) ως προς τη θερμοκρασία του ημιαγωγού.

Η περιοχή που είναι ευθεία (σταθερή πυκνότητα ενδογενών φορέως) είναι η περιοχή σωστής λειτουργείας του ημιαγωγού (100K - 500K ή -173οC - 227οC) πάνω απο τα 500Κ ο ημιαγωγός "ιονίζεται" (γίνεται δηλ αγωγός) και κάτω απο τα 100Κ στον ημιαγωγό παρατηρείται το φαινόμενο "freeze-out", στο οποίο όλο και περισσότεροι ενδογενείς φορείς στοιβάζονται στη θεμελειώδη ενεργειακή ζώνη (με τη χαμηλώτερη ενέργεια) και δεν "κουνιούνται".

Σύμφωνα τώρα με αυτό το site οι ημιαγωγοί με βάση το Si (ισχυρά ντοπαρισμένοι) μπορούν να λειτουργούν σε θερμοκρασίες μέχρι 40K (-230oC). H διαφορά (διαφωνία) των δυο μπορεί να εξηγηθεί με βάση το επόμενο διάγραμμα

(Οι γκρι περιοχές δεν συμμένουν κάτι είναι τις φωτογραφίας. Αν πάτε στο site θα το δείτε κανονικά)

Στο οποίο φαίνεται η ισχυρή εξάρτηση του κάτω ορίου θερμοκρασίας με το πόσο ντοπαρισμένος είναι ο ημιαγωγός. Στο πρώτο διάγραμμα μη ξεχνάμε οτι έχουμε ενδογενείς φορείς, ενώ στο κάτω έχουμε όλους τους φορείς (ενδογενείς + εξωγενείς)

Παραθέτω και το επόμενο απο το site για να καταλάβουμε τι γίνεται

There are many electronic, ionic, and atomic processes taking place in a component. Some of these determine its characteristics at "conventional" temperatures, but there are others that may come into play at higher or lower temperatures to introduce new effects, either gradually or abruptly. The trends in characteristics exhibited by components over the conventional temperature range often continue to higher and lower temperatures. However, extrapolation is risky because there may be some "critical" temperature at which the component undergoes an abrupt change in characteristics. Examples of this are the freeze-out temperature of Si (about −230°C/40 K) below which there are major changes in a Si device's characteristics.

... At the other extreme, the lower temperature limit is typically determined by the ionization energy of the dopants. Dopants usually require some energy to ionize and produce carriers in the semiconductor. This energy is usually thermal, and if the temperature is too low, the dopants will not be sufficiently ionized and there will be insufficient carriers. The result is a condition called "freeze-out." For example, Si (dopant ionization energy ~0.05 eV) freezes out at about 40 K and Ge (ionization energy ~0.01 eV) at about 20 K. Thus, for example, Ge devices in general operate to lower temperatures than Si devices.

Καιρός είναι να δοκιμάσουμε ψύξη με υγρό υδρογόνο (40-45Κ) να δούμε τι γίνεται ...!!!