Warum Transistoren kaputt gehen

10. Dezember 2012, 18:26
  • Transistoren untersucht: Sauerstoffatome sind in der Illustrierung rot, Siliziumatome gelb dargestellt. Durch die Schwingung des Gitters werden auch die elektronischen Zustände (Elektronenverteilung: blau) verändert.
    illu.: tu wien

    Transistoren untersucht: Sauerstoffatome sind in der Illustrierung rot, Siliziumatome gelb dargestellt. Durch die Schwingung des Gitters werden auch die elektronischen Zustände (Elektronenverteilung: blau) verändert.

Tibor Grasser von der TU Wien wird für seine Untersuchungen mit dem Paul-Rappaport-Award ausgezeichnet

Wien - Transistoren gehören zu den wichtigsten elektronischen Bauteilen - sie haben allerdings eine begrenzte Lebenserwartung. Sie gehen jedoch meist nicht abrupt kaputt, sondern werden langsam schlechter, bis das Gerät irgendwann gar nicht mehr funktioniert. Die Antwort, warum das so ist, liegt auf atomarer Ebene. Forschungen an der Technischen Universität (TU) Wien haben zu einem Paradigmenwechsel bei der Ursache für Transistor-Versagen geführt: Es ist der Sauerstoff und nicht der Wasserstoff, wie Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik zeigen konnte. Das teilte die TU Wien am Montag in einer Aussendung mit.

Tests: Hitze und hohe Spannungen

Um die Lebensdauer elektronischer Bauteile abschätzen zu können, werden sie Tests unter besonders erschwerten Bedingungen unterzogen. Man erhitzt sie etwa auf 200 Grad Celsius und legt hohe Spannungen an. Das reduziert die Lebensdauer der Bauteile von Jahren auf Wochen oder Tage. Um aus solchen Experimenten Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie sich die Transistoren unter normalen Bedingen verhalten würden, müssen die Forscher die dabei ablaufenden Prozesse genau verstehen.

Damit ein Transistor Strom leitet, muss eine gewisse Spannung angelegt werden. Wie hoch diese Spannungsschwelle ist, kann sich mit der Zeit ändern. Bisher vermutete man, dass Wasserstoffatome der Grund dafür sind, aber: "Wenn man sich die experimentellen Daten genauer ansieht, die in den letzten Jahren gesammelt wurden, muss man erkennen, dass dieses Modell nicht wirklich stimmen kann", so Grasser.

Aufbau moderner Feldeffekt-Transistoren

Moderne Feldeffekt-Transistoren sind wie ein Sandwich aufgebaut, aus Schichten von Silizium und Siliziumoxid. An den Grenzflächen gibt es einzelne Atome, denen ein Bindungspartner fehlt - an diese freien Stellen docken Wasserstoffatome an. Bisher dachte man, dass diese Wasserstoffatome an der temperaturabhängigen Zerstörung der Transistoren schuld sind: Wenn der Wasserstoff nämlich abgelöst wird und sich von der Grenzfläche fortbewegt, dann entstehen geladene Defekte an der Oberfläche. Einzelne elektrische Ladungsträger im Transistor können die Spannung erhöhen, die angelegt werden muss, um Strom passieren zu lassen.

Grasser hat nun herausgefunden, dass Oxid-Defekte im Halbleiter die Ursache der Degeneration sind. "Silizium-Oxid bildet kleine Tetraeder, wo manchmal allerdings ein Sauerstoff-Atom fehlt", so der Wissenschafter. Auch das verursache punktuelle Ladungen und erhöhe die nötige Schwellenspannung.

Die internationale Elektrotechnik-Vereinigung IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) hat Grasser eingeladen, zum Thema der temperaturabhängigen Transistor-Degradation die eigenen Arbeiten der vergangenen sechs Jahre zusammenzufassen. Diese Arbeit wurde nun aus den über 600 in den Journalen der IEEE Electron Devices Society erschienen Publikationen als beste ausgewählt und mit dem Paul Rappaport-Award prämiert. (APA, 10.12.2012)

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19 Postings
"Oxiddefekte im Halbleiter"

tut ein bisschen weh...

Kannst du das auch begründen?

Nun, es ist nur ein Detail, aber die Defekte um die es geht liegen im Oxid (-> Oxiddefekte) des MOS-Transistors. Und das Oxid liegt _über_ dem Halbleiter, daher ist es auch unsinn zu sagen, die Oxiddefekte lägen _im_ Halbleiter.

Das Oxid liegt über dem Halbleiter

Soweit richtig.

Die relvanten Oxiddefekte jedoch liegen direkt der Grenzfläche. Da sich bei MOSFETs der leitende Kanal ebenda ausbreitet, sind vor allem Grenzflächendefekte von großer Bedeutung.

Ich kann Ihnen aber sagen, dass atomare Defekte bis heute noch nicht sehr gut verstanden sind. Aber wir sind am Forschen. :)

Juhu!

Endlich ein Herr Grasser, auf den man stolz sein kann. Weiter so!

Beste Publikation

Yeah Yeah Yeah!

Es liegt aber auch daran, dass Bauteile so "optimiert" werden, dass sie im Normalbetrieb gerade an den Grenzen ihrer Spezifikation betrieben werden. Was bedeutet, dass sie bei jedem Einschaltvorgang eine mit dem (Spannungs-)Vorschlaghammer abbekommen. Man nennt das dann auch geplante Obsoleszenz. Denn ein entwas hochwertigeres Bauteil würde vermutlich 5Cent mehr kosten aber die Lebensdauer um ein vielfaches steigern. Ganz schlecht in einem Wirtschaftssystem das nicht nachhaltig sondern auf permanentes Wachstum ausgerichtet ist.

kein Interesse

mit ganz wenigen Ausnahmen (das wo Personenschaden entstehen kann) findet die Industrie keinerlei Interesse daran, die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern. Ich war da neulich auf einem sehr interessaten Vortrag, wo's darum ging, wie mit einfachen Mitteln (bessere Kühlung, geringere Spannung etc...) die Lebensdauer von Bauteilen wesentlich verlängert werden kann. Das ganze mit dem Argument der Kostensenkung, Umweltschutz Ressourceneinsparung.

Langer Rede kurzer Sinn: Das Forum war schwach besucht. Da herrscht in der Industrie wirklich kein Interessen Lebensdauern zu erhöhen. Der Parallelvortrag über die Gewinnmaximierung von Entwicklungsunternehmen und Elektronikherstellern war gstopft voll :-)

KS

Ihr Kommentar hat halt leider mit Transistoren genau nichts zu tun - schon gar nicht bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie in der Automobilbranche.

Woran "sterben" denn elektronische Geräte so? Die fest verbaute Batterie würde ich mal als wichtigsten Faktor nennen. Chipfehler scheinen mir eher selten zu sein.

Am häufigsten sterben Elektrolytkondensatoren, besonders jene in der Spannungsversorgung.

Dann gibts da aber wieder so Dinge wie den Fernseher meiner Eltern - der seit 29 Jahren jeden Abend in Betrieb ist. In den 90ern hatte er eine kleine Midlifekrisis, wurde nachgelötet und bekam einen neuen Zeilentrafo. Jetzt knacken die Lautsprecher schon beim Einschalten - natürlich sind da viele Elektrolytkondensatoren schon an dern Grenze - aber trotzdem ein beeindruckender Fakt.
Ich selber entwerfe Elektronik für Kraftwerkssteuerungen - da will man auch 10+ Jahre Haltbarkeit. Der Schwerpunkt liegt aber auch hier bei den Kondensatoren sowie der Designtopology. Im allgemeinen gehen die Transistoren als letztes kaputt.
Wenn man natürlich ein sehr oft im Gerät vorhandenes Bauteil grenzwertig auslegt - braucht man nicht warten..

stimmt, auch am Versorgungspfad am Mainboard.
Chips sterben auch thermisch (verstopfte Kühlkörper, Lüfter, Übertaktung etc.)
Es gibt aber auch sehr blöde Fehler bei schlechter Löttechnologie mit fix verlöteten Chips (playstation, manche Laptops etc.), was aber kein Chipfehler ist.

ROHS compliance hat eben gravierende mechanische Nachteile, das Lotmaterial ist um einiges spröder, man muss vorheizen, heisser löten usw.

Bei Multilayerplatinen erstarrt das Lot gerne zu früh beim Hochsteigen bei den Durchkontaktierungen und dann gibt es Kontaktfehler.

Das ist auch bei aller Sorgfalt schwer in den Griff zu bekommen und dann fallen machmal eben die IC's von der Platine.

"Illustrierung":

Der illustre "Standard" so wortgewandt wie die bunt illustrierte "Super-Illu".

(Liebes Christkind! Zu Weihnachten wünsche ich mir ein Wörterbuch, ein Österreichisches. So eines aus Papier, nur mit Buchstaben, ohne Illustrierung. Danke! Dein Red.)

Dr. Heinz Anderle, Freigeist

Morphologie: il|lustr|ier|ung
Grammatikangaben: Wortart: Substantiv
Geschlecht: weiblich
Flexion: die Illustrierung, der Illustrierung, der Illustrierung, die Illustrierung
die Illustrierungen, der Illustrierungen, den Illustrierungen, die Illustrierungen
Relationen zu anderen Wörtern:

ist Synonym von: Demonstration, Illustration, Veranschaulichung, Verbildlichung, Verdeutlichung
wird referenziert von: Bild

http://wortschatz.informatik.uni-leipzig.de/cgi-bin/w... ung&site=1

Richtig heißt es nur eben Illustration,...

... da das Wort aus dem Lateinischen kommt;

vielleicht hilft einmal eine Perlustrierung nach Stilblüten aus der Fachidiotie weiter zum richtigen Gebrauch der Sprache.

Dr. Heinz Anderle, Freigeist

Ich denk auch: Das muss "Figur" heissen.

AUCH WENN ALS FIGUR MIT SCHÖNEN RUNDUNGEN..

ich täts als "Grafik" bezeichnen ;-)

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