Download SPA 99-05 BEL

E L E C T R Ó N I C A
P A R A
A L T A S
T E M P E R A T U R A S
Sistemas electrónicos fiables para
altas temperaturas
fondo de pozos. Aunque el entorno en
ambos casos es muy diferente, las consecuencias para los sistemas electrónicos en
general y para los circuitos integrados en particular tiene mucho en común.
En la figura 1 se muestra el sistema de
«pozo inteligente». Los tubos de extracción
de petróleo y gas van desde la cabeza del
pozo, en el fondo del mar, hasta una instalación central que, en este caso, es un sistema
La electrónica para altas temperaturas basada en la tecnología de silicio-
flotante de producción. En la cabeza del
sobre-aislante (SOI) hace posible que los circuitos y sistemas electrónicos fun-
pozo, que está conectada con las zonas de
cionen de forma permanente a temperaturas superiores a 225ºC alcanzando
extracción del yacimiento, se acumula el flui-
una larga vida útil. Esta tecnología está siendo utilizada para los sistemas elec-
do que las tuberías van a conducir hasta la
trónicos llamados de «fondo de perforación», en el sistema de «pozo inteligen-
instalación central. Puesto que en el yaci-
te» desarrollado por ABB para la extracción de petróleo y gas en zonas marinas.
miento puede haber varios puntos de extrac-
Además de responder a las necesidades del sector en lo que se refiere a una
ción, puede ser necesario controlar el flujo en
mayor fiabilidad y capacidad de funcionamiento, esta tecnología hace posible
las distintas penetraciones. Para ello se dis-
una explotación más eficiente y económica de los yacimientos difíciles de pe-
pone de dispositivos con válvulas deslizantes
tróleo y gas. Otros campos de aplicación son los sectores aeroespacial y de la
o de reguladores de fondo de extracción y se
automoción.
utiliza un sistema de control y de registro de
datos situado en la perforación. Para optimi-
E
zar la producción es necesario disponer de
l término «electrónica para altas tempe-
durísimo entorno en que deben funcionar los
raturas» hace referencia a los circuitos y sis-
equipos situados en el fondo de pozos de ex-
datos, que se consiguen por medio de diversos sensores de fondo de extracción que
temas electrónicos proyectados para funcio-
tracción de petróleo y gas. El sistema, basa-
miden principalmente la presión, la tempera-
nar a temperaturas superiores a 125 °C, que
do en la tecnología SOI, permitirá a las com-
tura, el contenido de agua en el fluido extraí-
es la máxima temperatura de funcionamiento
pañías petrolíferas explotar yacimientos com-
do y el caudal total. Este tipo de control acti-
de la mayor parte de los sistemas electróni-
plejos de petróleo y gas de forma eficiente y
vo en el fondo de perforación y monitoriza-
cos comerciales. Aunque esta definición no
económicamente óptima.
ción de varias zonas y ramales es algo relati-
tiene una base científica, durante las últimas
vamente nuevo, que exige aplicar mucha
décadas el sector lo ha definido en el plano
tecnológico.
Utilizando circuitos integrados SOI (silicio-
más «inteligencia electrónica en el fondo de
Aplicaciones y actividades
perforación» de lo que era habitual hasta
actuales de ABB
ahora. Realmente son muy pocas las instala-
sobre-aislante), actualmente es posible pro-
ABB Corporate Research (Noruega) trabaja
ciones en funcionamiento y las que existen
yectar y fabricar sistemas electrónicos con
en dos áreas de aplicación de sistemas elec-
disponen de un pequeño número de disposi-
una larga vida útil que funcionan permanen-
trónicos en entornos extremos que exigen
tivos controlables.
temente a altas temperaturas de, por ejem-
precauciones especiales. La primera de ellas
La experiencia en el campo de sistemas
plo, 225 °C. Dichos sistemas pueden funcio-
tiene como objeto los ASIC con codificación
electrónicos en el fondo de pozos se limita a
nar incluso a 300 °C aunque a costa de una
digital para aplicaciones espaciales [1], un
los equipos utilizados para perforación, que
reducción de su vida útil. Sin embargo, la
proyecto realizado para la Agencia Espacial
sólo se utilizan en periodos de unas pocas
gama fiable de componentes «estándar» es
Europea (ESA), y la segunda un sistema elec-
semanas cada vez. La experiencia de pro-
muy reducida y, por tanto, la selección de
trónico a altas temperaturas para aplicacio-
ducción está restringida a la obtenida con un
dispositivos apropiados para aplicaciones
nes de extracción de petróleo y gas en el
sensor de presión y un sensor de temperatu-
concretas es el mayor reto con que se tienen
ra (frecuentemente redundantes), y de estos
que enfrentar los proyectistas, tanto de siste-
equipos se sabe que, debido al durísimo en-
mas como de hardware.
torno en el que funcionan, tienen una máxima
ABB Offshore Systems, en estrecha coo-
vida útil de unos pocos meses. Los sistemas
peración con ABB Corporate Research y
Knut Asskildt
de la próxima generación tendrán que tener
otras empresas de ABB, está a punto de co-
Sohrab Yaghmai
una fiabilidad y una capacidad de funciona-
menzar la fabricación de un sistema de
ABB Corporate Research, Noruega
miento mucho mayores para que las compa-
«pozo inteligente» de gran fiabilidad para el
30
Revista ABB 5/1999
ñías petrolíferas puedan explotar con éxito
E L E C T R Ó N I C A
yacimientos difíciles. Sin embargo, la recom-
•
P A R A
A L T A S
T E M P E R A T U R A S
Espacio muy limitado para los módulos
pensa que puede esperarse para tal logro es
electrónicos, así como para los cables y
enorme. En 2 aparece representado un sis-
paso de los mismos.
tema electrónico típico situado en el fondo de
•
perforación.
Las características de aplicación y los fac-
•
es probable que sus especificaciones experimenten cambios importantes.
•
La experiencia con los sistemas electróni-
Instalación sujeta a condiciones mecáni-
cos de fondo de pozo muestra que di-
cas y ambientales muy duras.
chos sistemas son poco fiables y tienen
Necesidad de una vida útil y de una dis-
una vida útil corta; ya se han hecho algu-
tores que afectarán a la electrónica para
ponibilidad de los sistemas de 10 a 20
nas investigaciones de las causas de
pozos inteligentes que será necesaria en el
años en el caso de las peores condicio-
fallo, aunque se trata de estudios rudi-
nes ambientales (por ejemplo 225 °C).
mentarios debido, entre otras razones, a
La recuperación de los dispositivos ave-
los altos costes de recuperación. El siste-
futuro pueden resumirse de la forma siguien-
•
te:
•
•
Temperatura ambiente superior a 200 °C
riados situados en el fondo del pozo es
ma de pozo inteligente es mucho más
durante toda la vida útil de los equipos.
extremadamente cara y por tanto no se
complicado que los sistemas anteriores y
La distancia entre la cabeza del pozo y los
tiene en cuenta en la mayor parte de las
las soluciones «conceptuales» varían de
módulos electrónicos más alejados puede
instalaciones actuales.
un proveedor a otro y de un cliente a otro.
Los sistemas electrónicos en desarrollo
Actualmente, los clientes y los usuarios fi-
deberán soportar los dispositivos de
nales (es decir, las compañías petrolíferas)
tos químicos agresivos y presiones muy
fondo de pozo (sensores y actuadores)
están intentando «estandarizar» las solu-
altas.
que se están desarrollando y, por tanto,
ciones.
ser superior a 10 km.
•
•
Entorno muy severo, incluso con produc-
Sistema de «pozo inteligente» para una explotación eficiente y económicamente óptima de los yacimientos submarinos
de petróleo y gas de gran dificultad
1
2
3
Flotador
Cabeza del pozo
Tubos de extracción de petróleo/gas
4
5
6
Yacimiento petrolífero
Sección de caudal de entrada
Sensores
7
1
Reguladores en el fondo de perforación
Revista ABB 5/1999
31
E L E C T R Ó N I C A
•
P A R A
A L T A S
T E M P E R A T U R A S
La función de los sistemas electrónicos
tervalo paramétrico que puede presentar-
El potencial total de mercado de la HTE se
no parece ser mucho más exigente que la
se a lo largo de una larga vida útil a altas
estima actualmente en 10.000 millones de
de un sistema «normal» situado en tierra,
temperaturas.
dólares, esperándose que aumente hasta
Redundancia, para asegurar que se man-
17.000 millones en el año 2005 [6]. Las pre-
pero la falta de componentes electrónicos
•
estándar fiables crea todavía grandes difi-
tiene la máxima capacidad de funciona-
visiones de «mercado real» para el año 2005
cultades para llegar a un buen concepto
miento en el caso de errores en los com-
son de 10.000 millones de dólares o del 6 %
base suficientemente fiable.
ponentes. No se utilizan dispositivos com-
del mercado potencial total de HTE. Se trata
Como se ha dicho anteriormente, varias em-
plicados de «conmutación» a altas tempe-
de una baja penetración, pero exige a la in-
presas y centros de investigación de ABB
raturas para evitar los errores de by-pass.
dustria electrónica realizar grandes inversio-
están dedicados al desarrollo del sistema de
Tampoco es necesario utilizar dispositivos
nes.
«Pozo Inteligente ABB». ABB Offshore Sys-
complejos de refrigeración, cuya vida útil
tems es responsable del sistema global y es
es problemática.
es el del control de motores, sistemas de es-
«propietaria del producto». ABB Corporate
•
El mayor campo de aplicación de la HTE
Administración en el fondo del pozo; estas
cape y frenos en el sector de la automoción
Research (Noruega) corre con la responsabi-
funciones están situadas en el «controla-
(200 a 250 °C), que según las previsiones su-
lidad de desarrollar el sistema electrónico de
dor de fondo del mar a baja temperatura»,
pondrá el 65 % del mercado en el año 2005.
fondo de perforación, diseñar los circuitos in-
lugar en el que se tolera una mayor com-
El registro de datos en pozos petrolíferos
tegrados SOI y realizar los ensayos del siste-
plejidad sin que esta afecte a la disponibi-
(250 °C) y la electrónica aerospacial (máximo
ma. Los investigadores de Alemania se en-
lidad del sistema (este dispositivo puede
800 °C) serán los dos siguientes campos de
cargan de los métodos para la evaluación del
ser recuperado).
aplicación más grandes, cada uno de ellos
«acoplamiento de matrices» y unión de ca-
•
Grado de redundancia, que puede deci-
con una cuota de mercado estimada en
bles, de la selección de materiales y compo-
dirse para cada pozo sin tener que modi-
torno al 14%. Dichas cifras indican que el
nentes electrónicos discretos adecuados
ficar el diseño electrónico.
mercado de la HTE depende del impacto de
para el diseño del sistema de fondo de perfo-
Una cuestión que merece la pena mencionar,
la aplicación misma y no de la rentabilidad del
ración y de realizar las pruebas de envejeci-
y que es especialmente cierta en el caso de
negocio de componentes propiamente
miento del sistema.
diseños para altas temperaturas, es que un
dicho.
Durante el diseño del sistema electrónico
diseño correcto comienza en el nivel de sis-
Sin embargo, el desarrollo de la tecnología
se prestó especial atención a las siguientes
tema. La utilización de la tecnología de cir-
HTE ha recibido la ayuda de otro mercado
áreas:
cuitos integrados SOI es un factor vital para
que no exige aplicar directamente la tecnolo-
•
conseguir una fiabilidad «suficiente».
gía para altas temperaturas. Los mercados
•
•
32
Flexibilidad, para conseguir que el sistema
acepte tanto configuraciones simples
de telecomunicaciones e informática, mucho
como complejas, es decir, que el número
más grandes, necesitan tecnología para
de dispositivos controlables en el fondo
Mercado global de la electrónica
componentes de densidad y velocidad muy
del pozo y la distancia entre ellos pueda
para altas temperaturas
altas. Debido a que la tecnología SOI es ade-
ser virtualmente ilimitada.
El mercado comercial de la electrónica para
cuada para todos estos mercados, se están
División del sistema, con el objetivo de
altas temperaturas (HTE) ha sido muy pe-
realizando en ella grandes inversiones que la
asegurar que los circuitos integrados SOI
queño en el pasado y, consecuentemente,
harán seguir avanzando.
en la solución de sistema sean los mismos
los esfuerzos de I+D de la industria electróni-
La tecnología SOI es actualmente el pro-
para todas las configuraciones, excepto la
ca en este campo han sido muy limitados, a
ceso más maduro para altas temperaturas,
interfaz «próxima» a los dispositivos efec-
pesar de que existen numerosas aplicacio-
aunque no es apropiada para aplicaciones
tivamente controlables como, por ejem-
nes de tipo científico. Durante la última déca-
de alta intensidad de corriente, que precisan
plo, la interfaz (frecuentemente analógica)
da ha aumentado el número de aplicaciones
de una tecnología distinta.
de los elementos sensores o una interfaz
industriales, lo cual ha ampliado los límites
de actuadores, que en la mayor parte de
del campo y ha llevado a la madurez la tec-
los casos ha de ser adaptada a las nece-
nología de los materiales básicos. Como re-
Componentes electrónicos
sidades de los clientes.
sultado de ello, la industria fabricante de se-
y semiconductores normalizados
Integración de la máxima cantidad posible
miconductores está empezando a acelerar el
para temperaturas de 200 °C
de lógica en los circuitos integrados SOI
desarrollo y a prepararse para la producción.
Todos los módulos electrónicos están forma-
para conseguir máxima fiabilidad con un
Las aplicaciones de la HTE abundan en
dos por diversos componentes como semi-
número mínimo de circuitos integrados,
los sectores industriales, desde el sector de
conductores, componentes pasivos, subs-
siguiendo el principio de máxima sencillez.
la automoción hasta el registro de datos en
tratos, cables, conexiones y grupos constitu-
Los pocos componentes discretos nece-
pozos petrolíferos, pasando por la electróni-
tivos. Los semiconductores pueden dividirse
sarios se dimensionan para el amplio in-
ca aeronáutica y aerospacial.
en dos grupos: dispositivos diseñados espe-
Revista ABB 5/1999
E L E C T R Ó N I C A
P A R A
A L T A S
T E M P E R A T U R A S
2
Sistema electrónico típico para ambientes extremos
en el fondo de perforación
4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Flujo
Módulo electrónico
Cables de comunicación y fuerza
Control en el fondo del mar
Envuelta
Regulador de manguito deslizante
Obturador
Tubos de extracción
Caudalímetro
5
3
3
Concentración n de electrones en función
de la temperatura T en el silicio tipo n
Rojo
Azul
Densidad de electrones
Concentración intrínseca de portadores
6
cm-3
2x1016
7
1
2
8
n
1.0
9
1.0
0
100
200
300
400
500
K
700
T
cialmente para altas temperaturas, de los
condensadores, materiales magnéticos,
el factor de disipación, las variaciones de la
cuales se hablará más adelante, y dispositi-
etc. En el caso de las resistencias y con-
capacidad y la vida útil.
vos estándar, para bajas temperaturas, que
densadores, los principales problemas son
Las características de los materiales mag-
normalmente se examinan y someten a en-
la estabilidad de los materiales utilizados y
néticos pueden describirse mediante la tem-
sayos antes de utilizarlos en ambientes a alta
su interdifusión. Las resistencias de película
peratura de Curie del núcleo y la curva de his-
temperatura. La experiencia ha demostrado
depositada, tales como las de Ni-Cr, Cer-
téresis. Frecuentemente, los materiales con
que los resultados que dan estos últimos dis-
met (Cr-SiO) y las de película gruesa (por
una alta temperatura de Curie tienen una baja
positivos son insatisfactorios, principalmente
ejemplo de rutenio plata), han demostrado
permeabilidad, con el resultado de que un in-
debido a su vida útil y a lo impredecible de
ser las más fiables y tener los menores coe-
ductor para altas temperaturas es más gran-
sus características a largo plazo [7]. Entre
ficientes de temperatura (200 ppm/K). Los
de que su equivalente para bajas temperatu-
estos componentes se encuentran diversos
condensadores NPO y dieléctricos de vidrio
ras. Aunque algunos tipos de placa orgánica
dispositivos diseñados según especificacio-
son fiables hasta una temperatura de 300
de circuito impreso han demostrado resistir
nes militares y transistores/diodos de alta po-
°C, pero los valores disponibles de capaci-
temperaturas de hasta 250 °C, la experiencia
tencia que pueden funcionar con una tempe-
dad están limitados a menos de 0,33 F, con
con la HTE demuestra que los substratos de
ratura de unión de hasta 180 °C.
valores nominales de tensión limitados. Los
tipo cerámico son mucho más fiables. Esta
«Componentes pasivos» es un término
principales problemas en el caso de los
última tecnología ha sido utilizada durante
genérico que comprende las resistencias,
condensadores para altas temperaturas son
muchos años para los circuitos de película
Revista ABB 5/1999
33
E L E C T R Ó N I C A
P A R A
A L T A S
T E M P E R A T U R A S
Concentración intrínseca
de portadores
Tabla 1
Cuadro general de semiconductores
La concentración intrínseca de portadores,
SiC
III-V
Diamante
ni, es el número de cargas electrónicas
Si Homo- SOI/
géneo
SIMOX
GaAs
Salto de Banda
(eV)
1.1
1.1
1.3
2.9
3.5 –
6.4
5.5
Temperatura
útil (°C)
150
250
300
>600
>600
>1000
conductor y, por tanto, con la temperatura,
muy
baja
ria para «romper la unión» o desplazar un
«libres» en un semiconductor puro, con un
mismo número de electrones y huecos.
Dicho valor varía cuando cambia la energía
vibratoria de la estructura cristalina del semi-
Madurez
así como con la energía de salto, Eg, necesamuy
alta
media
alta
baja
muy
baja
electrón desde la banda de valencia, donde
no contribuye a la conducción, hasta la
banda de conducción, donde es «libre» para
moverse en un campo eléctrico. En un estado de equilibrio,
gruesa y de película fina. Los substratos ce-
están en el campo de altas frecuencias y en
rámicos tienen mejores características de
la óptica. Hasta ahora se les ha prestado
conducción del calor y de alta frecuencia en
poca atención para aplicaciones a alta tem-
ni = (p n)1/2 = constant T 3/2 e(–Eg/2kT)
(1)
comparación con los de tipo orgánico; ade-
peratura, aunque se prevé que serán ligera-
donde n y p son respectivamente la densidad
más, las resistencias y los condensadores
mente mejores que los de silicio.
de electrones y de huecos, k es la constante
pueden ser instalados directamente sobre el
de Bolzmann y T la temperatura absoluta. Se
substrato.
comprende la importancia de la ecuación (1)
Efectos básicos de la temperatura
cuando se observan las uniones pn básicas
en los semiconductores (Si)
de las que dependen todos los circuitos inte-
limitada, aunque la tecnología de semicon-
Son bien conocidas las características físicas
grados. Las uniones pn se obtienen cuando
ductores SOI SIMOX (separación por oxíge-
básicas y las propiedades de los semicon-
una parte del semiconductor contiene una
no implantado) está alcanzando su madurez.
ductores; de hecho ya han sido explicadas
impureza aceptora, normalmente boro, y otra
Aunque, entre los materiales disponibles ac-
en numerosos manuales. Actualmente se
parte contiene una impureza donadora, nor-
tualmente, el silicio es el material semicon-
está fabricando gran cantidad de dispositivos
malmente fósforo. En la superficie de contac-
ductor más maduro desde el punto de vista
de silicio, lo que acelera su desarrollo y per-
to entre las regiones n y p existirá una unión
tecnológico, no está considerado como el
feccionamiento y hace que su coste se re-
pn, formándose una región de carga espa-
«mejor» a largo plazo.
duzca sin cesar. Sin embargo, el mercado de
cial. De igual forma, los transistores MOS
Tal como se explicará más adelante,
dispositivos para altas temperaturas y con
(metal-óxido de silicio) dependen de la for-
cuanto mayor es el valor de salto de banda
tolerancia a la radiación supone sólo una pe-
mación de una región de carga espacial bajo
de un semiconductor tanto mejor se espera
queña fracción del mercado total, de modo
la zona del electrodo.
que funcione a altas temperaturas. En la
que el número de proveedores es relativa-
En la ecuación (1) puede verse que ni au-
Tabla 1 se incluye un resumen de los semi-
mente pequeño y, por tanto, los costes se
menta exponencialmente con la temperatu-
conductores en uso.
La gama de dispositivos semiconductores
para aplicaciones a alta temperatura es muy
ven afectados negativamente. La tecnología
ra. Cuando ni es igual a la densidad de impu-
La información de dicha tabla se incluye
SOI, disponible en diferentes formas desde
rezas donadoras en la región n, el semicon-
solo a título de guía aproximada y no tiene
hace décadas, ha alcanzado ya un grado de
ductor se convierte en totalmente intrínseco y
carácter científico. Su mensaje más impor-
madurez tal que está garantizada la fiabilidad
las regiones de carga espacial desaparecen.
tante es que los candidatos más prometedo-
de los diseños y procesos de fabricación
Ningún transistor podrá funcionar a esta alta
res para aplicaciones del orden de 200 °C se
convencionales.
temperatura en el silicio, de aproximadamen-
encontrarán en los próximos años entre las
El rendimiento de los dispositivos semi-
te 400 °C, que aumenta ligeramente cuando
tecnologías SOI y SiC. Se han estudiado
conductores a altas temperaturas está deter-
el nivel de impurezas es mayor [2]. Sobre este
científicamente diversos dispositivos fabrica-
minado por cuatro propiedades físicas bási-
punto véase la figura 3 .
dos con materiales menos maduros, pero to-
cas:
davía deberán pasar años hasta que se pue-
•
•
•
•
dan utilizar industrialmente. Ya se encuentran
disponibles los de arseniuro de galio (GaAs),
pero la mayor parte de sus aplicaciones
34
Revista ABB 5/1999
El aplanamiento de n en 3 se debe a la
Concentración intrínseca de portadores
concentración de impurezas donadoras to-
Corriente de fugas
talmente ionizadas. Es claramente visible que
Movilidad de portadores
la concentración intrínseca, ni , depende ex-
Tensión umbral
ponencial de T y que domina la concentra-
E L E C T R Ó N I C A
P A R A
A L T A S
T E M P E R A T U R A S
ción total de electrones, de forma que el se-
se sabe que ni varía exponencialmente con la
ditado la capacidad de funcionamiento de
miconductor se convierte en intrínseco tal
temperatura. De hecho, se ha comprobado
los circuitos integrados SOI hasta una tem-
como puede verse en la parte inclinada de la
experimentalmente que la corriente de gene-
peratura de 350 °C. La corriente de fugas de
curva a la derecha de 3 .
ración
de
los circuitos integrados SOI es aproximada-
es
dominante
por
debajo
Actualmente se fabrican transistores SOI
100–150 °C y la corriente de difusión lo es
mente de dos a tres órdenes de magnitud
MOS de película delgada que pueden funcio-
por encima de dichas temperaturas. Tam-
menor que la de los CMOS homogéneos a
nar a más de 350 °C.
bién se observa que los semiconductores
temperaturas elevadas (de 200 a 300 °C).
La ecuación (1) también muestra la de-
con grandes saltos de banda presentan co-
pendencia exponencial de Eg, lo que expli-
rrientes de fugas más pequeñas que los que
ca el gran interés que para el funcionamien-
tienen saltos de banda menores.
Movilidad de portadores
to a altas temperaturas tienen los semicon-
También puede verse que la corriente de
La movilidad de portadores en el canal de
ductores con valores de salto de banda más
fugas es proporcional a la superficie de la
una estructura MOS, tanto en circuitos inte-
altos que los de silicio. El Si tiene un salto de
unión, Aj; en la figura 4 se ve que las gran-
grados SOI como en CMOS homogéneos,
banda de 1,1 eV a temperatura ambiente, el
des superficies de unión, el drenador y espe-
está fuertemente influida por los efectos su-
GaAs 1,34 eV con un límite intrínseco de
cialmente el pozo dominan la corriente de
perficiales en el canal que se forma bajo el
aproximadamente 650 °C, el SiC 2,9 eV y
fugas en los CMOS homogéneos, mientras
electrodo del transistor, es decir, por la su-
un límite de aproximadamente 1000 °C y el
que estos factores no existen en la estructu-
perficie de contacto entre el silicio y el dióxi-
GaN 3,45 eV con una temperatura intrínse-
ra SOI, donde han sido sustituidos por la su-
do de silicio. El efecto de dispersión superfi-
ca incluso superior.
perficie de contacto con el aislamiento de
cial asociado a estas superficies de contacto
óxido enterrado.
reduce significativamente la movilidad con
Los circuitos integrados CMOS homogé-
respecto a su valor másico, el cual está teó-
Corriente de fugas
neos más comunes pierden capacidad de
ricamente dominado por la dispersión es-
La corriente de fugas es otra propiedad fun-
funcionamiento a temperaturas por encima
tructural que, a su vez, depende de T-3/2. La
damental que define límites de diseño y fun-
de unos 240 °C, lo que se debe a la elevada
reducción es función del proceso de forma-
cionamiento para los circuitos integrados
corriente de fugas, mientras que se ha acre-
ción de óxido en el electrodo. Debido a ello,
para altas temperaturas. La unión de polarización inversa n+p- tiene una corriente de
fugas Ir [3] que viene dada por
Ir = q Aj ni Wj / τe + qAj (Dn/τn)1/2 ni2/Na
Un inversor en circuitos CMOS homogéneos (arriba) y en la tecnología SOI (abajo)
4
(2)
0V
5V
Salida = 5 V
donde q es la carga electrónica, Aj la superficie de la unión, ni la concentración intrínseca
de portadores, Wj la anchura de la unión, e la
n+
n+
p+
p+
n+
vida efectiva de los portadores generados
térmicamente en la región de carga espacial,
el tiempo de vida de los electrones en el ma-
Pozo n
Corriente
de fuga
de energía
Dn el coeficiente de difusión de electrones, n
Substrato p
Corriente
de fuga
de pozo
terial neutro tipo p, y Na la concentración de
impurezas aceptoras. El primer término es la
contribución a las fugas efectuada por los
portadores generados térmicamente en la re-
0V
gión de carga espacial y barridos de esta re-
Corriente
de fuga
de energía
5V
Salida = 5 V
gión por el fuerte campo eléctrico existente
en la misma. El segundo término es la com-
n+
n+
p+
p+
ponente de difusión debida a los portadores
´
Oxido
enterrado
dentro de la longitud de difusión de la región
de carga espacial, que se difunden a dicha
región y de la cual son barridos.
Substrato p
En la ecuación (2) puede verse que la corriente de generación varía con ni y la corriente de difusión con ni2. Por la ecuación (1)
Revista ABB 5/1999
35
E L E C T R Ó N I C A
P A R A
A L T A S
0.2
V
0
T E M P E R A T U R A S
2
1
– 0.2
3
– 0.4
a
– 0.6
U
– 0.8
2
1
–1.0
4
–1.2
0
50
100
150
200
250
3
300 °C
T
b
Tensión umbral U como función de la temperatura T
en el caso de circuitos CMOS homogéneos y SOI
5
Metalizado en circuitos SOI (a) y homogéneos de silicio (b)
1
2
CMOS homogéneos
SOI
Metal
Siliciuro
3
4
6
Substrato de silicio
Aislador
la dependencia experimental de la movilidad,
un transistor homogéneo de n canales viene
peratura, observándose también que la con-
µ, en función de la temperatura se expresa
dada por [5]:
centración intrínseca de portadores determina la dependencia de la temperatura. El coe-
frecuentemente [4] como:
Vth = VFB + 2ϕF + γ (2ϕF + VSB)1/2
µ(T) = µ (T0) T/T0–m
(4)
ficiente de temperatura de la tensión umbral
en los dispositivos homogéneos es de apro-
(3)
where γ = Cox–1 (2εsi q Na)1/2
ximadamente 3 a 5 mV/grado.
y VFB es la tensión de banda rectangular, F el
res SOI MOS de película delgada, el espesor
que la movilidad se reduce según un factor
potencial de Fermi, VSB el potencial entre
de esta puede ser tan pequeño que se agote
de 2 a 4 a altas temperaturas.
fuente y masa, Cox la capacidad del óxido del
totalmente, de modo que la anchura máxima
Sin embargo, en el caso de los transisto-
donde T0 es la temperatura ambiente y m un
valor comprendido entre 1,5 y 2, que implica
Otro factor del que depende la movilidad
electrodo, Esi la constante dieléctrica del sili-
de agotamiento sea casi independiente de la
en el canal es el potencial superficial bajo el
cio y Na la concentración de aceptores. A y
temperatura. Por lo tanto, el coeficiente de
electrodo del transistor MOS, que frecuente-
se le llama factor de efecto del cuerpo para
temperatura de la tensión umbral es sólo de
mente hace que la movilidad en los transisto-
indicar la dependencia que tiene el potencial
1 mV/grado aproximadamente, como puede
res SOI MOS de película delgada sea algo
del cuerpo a la tensión umbral. El término
verse en 5 .
mayor que en los transistores homogéneos
que incluye y en la ecuación (4) es debido a la
A partir de las propiedades fundamentales
equivalentes [5].
máxima anchura de agotamiento bajo el
de los semiconductores y de su dependencia
canal.
de la temperatura, ahora es posible resumir
algunos efectos secundarios relevantes que
Tensión umbral
El potencial de Fermi, aquí también para un
también tienen gran importancia para aplicar
La tensión umbral, Vth, del transistor MOS
transistor de n canales, viene dado por:
con éxito la tecnología disponible para altas
homogéneo disminuye al aumentar la temperatura. Si esta es demasiado baja, una co-
temperaturas.
ϕF = (kT/q) ln(Na/ni)
(5)
rriente significativa fluye entre la fuente y el
drenador, incluso aunque no se aplique ten-
De las ecuaciones 1, 4 y 5 puede deducirse
sión alguna a la puerta, lo que hace que el
que la tensión umbral disminuye de forma
transistor resulte inútil. La tensión umbral de
aproximadamente lineal al aumentar la tem-
36
Revista ABB 5/1999
E L E C T R Ó N I C A
P A R A
A L T A S
T E M P E R A T U R A S
tiempo de 10 años. Los efectos no son tan
Bibliografía
Fenómenos que reducen la vida
importantes como los dos anteriores, a con-
[1] K. Asskildt: Desarrollo de circuitos elec-
útil de los dispositivos
dición de que se tomen las precauciones
trónicos resistentes a las radiaciones para
semiconductores para altas
necesarias durante el funcionamiento.
satélites. Revista ABB 3/92, 19–26.
[2] A. S. Grove: Physics and technology of
temperaturas
semiconductor devices. J. Wiley & Sons,
Electromigración
Degradación del dieléctrico
1967.
La electromigración –desplazamiento de
También se sabe que la degradación del
[3] S. Sze: Physics of semiconductor devi-
iones metálicos con altas densidades de
dieléctrico se acelera con la temperatura,
ces. J. Wiley & Sons, 1981.
corriente– es uno de los principales causan-
pero las cuidadosas pruebas realizadas de-
[4] D.C. Sheridan et al.: Evaluation of
tes de fallos en las aplicaciones para altas
muestran que la corriente de fugas del die-
Si3N4/SiO2 stack and commercially availa-
temperaturas. El fenómeno, que se produce
léctrico no perturbará el funcionamiento del
ble MOS capacitors for high temperature
en las pistas metálicas de los circuitos inte-
circuito a 10 V con temperaturas inferiores a
electronics. Trans. on Third International
grados con mayor resistencia, depende ex-
300 ºC.
High Temperature Electronics Conference
ponencialmente de la temperatura y puede
(HITEC), Albuquerque, New Mexico, June
provocar la apertura de un circuito. Por esta
1996.
razón, los proveedores de silicio están reali-
Conclusiones y trabajos
[5] J.P. Colinge: Silicon-on-Insulator Tech-
zando un gran esfuerzo para seleccionar
adicionales
nology. Kluwer Academic Publishers, 1991.
materiales adecuados y establecer reglas
Basándose en los trabajos efectuados hasta
[6] The world market for high temperature
de diseño que solucionen este problema.
la fecha se recomienda considerar la utiliza-
electronics. HITEN report, AEA Technology,
ción de la tecnología SOI en todos los siste-
1997.
Contactos eléctricos metal-silicio
mas que deban funcionar de forma fiable a
[7] F.P. McCluskey, R. Grzybowski and T.
Todos los tipos de contacto eléctrico metal-
temperaturas elevadas. Aunque la tecnolo-
Podlesak: High Temperature Electronics.
silicio tienden a provocar fallos a altas tem-
gía SOI no puede utilizarse en aplicaciones
CRC Press, 1997.
peraturas. También a este respecto, la tec-
de alta potencia es posible considerar la apli-
nología SOI es mejor que la homogénea,
cación de tecnologías alternativas, tales
como puede verse en 6 [5].
como SiC y GaN. Existe una necesidad clara
También hay que considerar cuidadosa-
de la tecnología SOI en la aplicación descri-
mente las técnicas de unión de conductores
ta, en el fondo de pozos petrolíferos, y ac-
entre la pastilla de silicio y el substrato sobre
tualmente se están desarrollando diversos
el que se monta el mismo.
trabajos sobre la alimentación y distribución
de energía eléctrica a alta temperatura.
ABB Corporate Research de Noruega
Efectos de los portadores
está perfectamente preparada para el dise-
calientes
ño digital y analógico de los circuitos inte-
Los efectos de los portadores calientes, que
grados SOI y ABB ya ha fabricado el prime-
aparecen en aquellas zonas de los disposi-
ro de ellos para utilizarlo en sus productos.
tivos semiconductores con un campo eléc-
El segundo circuito integrado SOI digital ya
trico elevado, son más intensos a alta tem-
está en fase de diseño y fabricación y ABB
peratura. Estos efectos se deben a que los
se está preparando para realizar circuitos in-
portadores (normalmente electrones) son
tegrados SOI analógicos. Se espera que,
acelerados hasta un nivel de energía tan alto
en cuanto estén disponibles, se aplicará
que destruyen la superficie de contacto
esta tecnología en los equipos situados en
Autores
entre silicio y dióxido de silicio, o incluso el
el fondo de pozos petrolíferos.
Knut Asskildt
propio dióxido, y provocan cambios irrever-
Sohrab Yaghmai
sibles de los parámetros, por ejemplo redu-
ABB Corporate Research
ciendo de forma permanente la tensión de
P.O. box 90
ruptura o la tensión umbral. Un proveedor
NO-1375 Billingstad, Noruega
de circuitos integrados ha informado de los
Telefax: +47 66 84 45 88
efectos de los portadores calientes sobre la
E-mail:
corriente inversa, la cual sufrió un cambio de
knut.asskildt@nocrc.abb.no
aproximadamente 5% en un período de
sohrab.yaghmai@nocrc.abb.no
Revista ABB 5/1999
37