comportamento dei semiconduttori drogati all'aumentare della temperatura

[dario fgx]

Salve gente ho urgentissimo bisogno di tutte le vostre lauree per creare qualcosa di buono e , perchè no, utile ad approfondire l'argomento a chi della comunità volesse farlo:Mi toccano gli esami di maturità al liceo scientifico tecnologico e devo preparare uno straccio di tesina, partendo dai semicondutturi e sulle possibilità di oc delle cpu, nel vano tentativo di destare l'interesse di qualche prof.Ora dopo aver presentato una sintetica ed efficacie spiegazione della dipendenza della resistività dalla temperatura vorrei analizzare il comportamento dei semiconduttori drogati quando li stressiamo con l'oc.i punti fondamentali sono :
1)Perchè una cpu da i numeri se raggiunge temperature troppo elevate, per4chè si genera una pletora di errori
2)dato che all'aumentare della temperatura aumenta la conducibilità dei semiconduttori, come l'overvolt consente di raggiungere la stabiltà.
Ho solo nozioni teoriche su diodo transistore e semiconduttori in generale che nn mi consentono di spiegare tutto ciò.
Mi fido ciecamente di voi , sepervi vicini anche in questa piccola prova infonde fiducia.quandi raga:
HELP!

[QBalle]

tesina sull' overclock , grandissimo !
forse non so aiutarti ma ti meriti un UP

[principino1984]

grandissimo... sei il primo che conosco che fa una tesina del genere...io mi ero limitato alla storia del rock, con canzoni degli iron maiden e guns in sottofondo...

un'altra bella domanda è perchè portando i semiconduttori a temperature molto minori dello zero si aumenta la capacità di overclock visto ke i semiconduttori hanno dei range di temperature molto precisi, mi ricordo una volta ke avevo letto da qualke parte ke abbassando molto la temp di un semiconduttore si avevano delle perdite di conducibilità ecc ecc e mi sn sempre chiesto xkè quando metto il procio a -70 riesco a raggiungere overclock molto più spinti allora... spero abbiate capito questo ragionamento contorto, ma sn sotto esami e nn faccio altro ke studiare quindi la dislessia sta avanzando al passare dei giorni

[rug22]

Originariamente inviato da dario fgx

Salve gente ho urgentissimo bisogno di tutte le vostre lauree per creare qualcosa di buono e , perchè no, utile ad approfondire l'argomento a chi della comunità volesse farlo:Mi toccano gli esami di maturità al liceo scientifico tecnologico e devo preparare uno straccio di tesina, partendo dai semicondutturi e sulle possibilità di oc delle cpu, nel vano tentativo di destare l'interesse di qualche prof.Ora dopo aver presentato una sintetica ed efficacie spiegazione della dipendenza della resistività dalla temperatura vorrei analizzare il comportamento dei semiconduttori drogati quando li stressiamo con l'oc.i punti fondamentali sono :
1)Perchè una cpu da i numeri se raggiunge temperature troppo elevate, per4chè si genera una pletora di errori
2)dato che all'aumentare della temperatura aumenta la conducibilità dei semiconduttori, come l'overvolt consente di raggiungere la stabiltà.
Ho solo nozioni teoriche su diodo transistore e semiconduttori in generale che nn mi consentono di spiegare tutto ciò.
Mi fido ciecamente di voi , sepervi vicini anche in questa piccola prova infonde fiducia.quandi raga:
HELP!

1)perchè con l'aumento di calore,che è energia,gli elettroni si allontanano dal nucleo facendo i salti degli orbitali...di conseguenza il segnale elettrico passa con difficoltà corrompendosi

2)Uhm...il processore overclockato consuma di più...con l'overvolt dai più alimentazione.

[cicoandcico]

vediamo se riesco a risponderti facilmente...

tutti i microprocessori si basano su logica cmos (nmos + pmos). ovviamente questi dispositivi hanno un certo tempo di commutazione da cui dipende la frequenza della logica stessa. proprio a causa di questo tempo avviene la disipazione di calore, infatti per un "instante" i due transistor sono contemporaneamente in conduzione e scorre corrente nel ponte (corto circuito).

se te aumenti la tensione di alimentazione il tempo di commutazione cala e quindi puoi salire di frequenza. se imposti una f troppo elevata è possibile che la logica non ce la faccia a commutare... per farti un esempio stupido, invece di
10101010
ottieni
10001000

e quindi il pc svalvola.

tieni presente che il discorso è molto più complesso... io ho cercato di semplificare il p0iù possibile.

[dario fgx]

Originariamente inviato da rug22

1)perchè con l'aumento di calore,che è energia,gli elettroni si allontanano dal nucleo facendo i salti degli orbitali...di conseguenza il segnale elettrico passa con difficoltà corrompendosi

2)Uhm...il processore overclockato consuma di più...con l'overvolt dai più alimentazione.

scusa ma io dovrei fare una tesina su questo?
Allora cominciamo a focalizzare
Sono gli e- stessi il segnale elettrico!
Se aumenta la temperatura ( mi serve una motivazione fisica anche del perchè di questo aumento in conseguenza dell'aumento di clock,tralasciando momentaneamente l'ov che è ovvio faccia scaldare di più dato che P=VI, ovvero potenza =tensione*Corrente) aumentano tutte le forme di energia cinetica delle particelle tra cui quella vibrazionale dei nuclei che oscillando più rapidamente aumentano le probabilità che il flusso di e- collida col nucleo stesso (in barba a coulomb mi chiedo, ma questo è il ben noto effetto joule e nn provo a constestarlo) il quale trattiene parte parte della K(da qui in poi K=1\2mvquadro) degli elettroni vibrando ancora di +, gli elettrono tornano ad essere accelerati dal campo elettrico fino all'urto successivo perciio' in sostanza parte del lavore del generatore viene immancabilmnte dissipato sotto forma di calore , se tale energia nn si può smaltire x tempo (ovvero ci sn troppi watt da dissipare) allora la conducibilità elettrica si riduce (aumenta la resistività).Fin qui è chiarissimo,nessuna questione di orbitali semplicisticamente spiegata le funzioni d'onda sono utilizzate x spiegare l'effetto tunnel ma nn tratterò di certo i transistori ad elettrone singolo.
Dicevo fin qui' ci sono.ma la mia ignoranza mi confronta con ulteriori contraddizioni:
i semiconduttori sono materiali la cui resistività è intrmedia tra isolanti e conduttori, e che diminuisca al crescere della tmperatura.
La teoria quantistica delle bande di energia stabilisce che a t ambiente un certo numero di e- di conduzione(piccolo ripspetto a quello di in conuttore) ha energia sufficiente a passare ai livelli inferiori della banda permessa di energia maggiore aumentando la popolazione degli e- di conduzione. è chiero che se do' più energia più elettroni affettuano il salto sull'altra banda permessa (e qui' mi servirebbe un'altro chiarimento: se le energie dei vari livelli sono quantizzate allora gli e- schizzano tutti con energie discrte come stabilisce einstein x spiegare l'effetto fotoelettrico, o ognuno con una sua energia.perchè già so che qui' il prof mi ferma e me lo chiede) di conseguenza aumenta la conducibilità elettrica del materiale.
Allora da un lato l'effetto joule dall'altro l'effetto contrario della temp sui semiconduttori, vorrei cercare di spiegare il comportamento delle cpu (un'ulteriore complicazione è legata al fatto che nn sn semiconduttori puri ma drogati, il transistore stesso include nella sua definizione la presenza di impurezze)sotto oc relazionando i due fenomeni. AIUTO!!!

[dario fgx]

Originariamente inviato da principino1984

grandissimo... sei il primo che conosco che fa una tesina del genere...io mi ero limitato alla storia del rock, con canzoni degli iron maiden e guns in sottofondo...

un'altra bella domanda è perchè portando i semiconduttori a temperature molto minori dello zero si aumenta la capacità di overclock visto ke i semiconduttori hanno dei range di temperature molto precisi, mi ricordo una volta ke avevo letto da qualke parte ke abbassando molto la temp di un semiconduttore si avevano delle perdite di conducibilità ecc ecc e mi sn sempre chiesto xkè quando metto il procio a -70 riesco a raggiungere overclock molto più spinti allora... spero abbiate capito questo ragionamento contorto, ma sn sotto esami e nn faccio altro ke studiare quindi la dislessia sta avanzando al passare dei giorni

in effetti a temperature prosssime allo zero assoluto (nn è il tuo caso xo'...) il cristallo perfetto di silicio è un isolante ed il gap tra le bande permsse nn è suprabile a patto di nn fornire enerfgia, la conducibilità ci perde ma le cpu sn drogate e qualhe elttrone c'è sempre disponibile (o qualche lacuna)...xo' nn mi sono ancora chiare molte cose

[nikyg1]

complimenti per l'argomento scelto!

purtroppo nemmeno io so posso darti una mano, al massimo ti riesco a regalare un

UP

p.s.
buon lavoro!

[dario fgx]

Originariamente inviato da cicoandcico

vediamo se riesco a risponderti facilmente...

tutti i microprocessori si basano su logica cmos (nmos + pmos). ovviamente questi dispositivi hanno un certo tempo di commutazione da cui dipende la frequenza della logica stessa. proprio a causa di questo tempo avviene la disipazione di calore, infatti per un "instante" i due transistor sono contemporaneamente in conduzione e scorre corrente nel ponte (corto circuito).

se te aumenti la tensione di alimentazione il tempo di commutazione cala e quindi puoi salire di frequenza. se imposti una f troppo elevata è possibile che la logica non ce la faccia a commutare... per farti un esempio stupido, invece di
10101010
ottieni
10001000

e quindi il pc svalvola.

tieni presente che il discorso è molto più complesso... io ho cercato di semplificare il p0iù possibile.

NO ti prego piano!
allora x commutazione intendi il passaggio da interdizione a conduzione?
A seconda della tensione applicata tra base e collettore(che puo' rafforzare o indebolire l'E che si genera nello strato di svuotamento) la corrente passa o no, cosa centra (nn capisco ) con il tempo di commutazione ?
X il resto ch ho scritto sai aiutarmi?Grazie tantissime

[cicoandcico]

ok, cerco di essere più chiaro. si, commutazione è il passaggio tra conduzione e interdizione... d'altra parte nella logica digitale ha poco senso usare i transistor in regione attiva per amplificare.
il tempo di commutazione è legato all'alimentazione perchè tutti i mos (e i fet in generale) hanno una grande capacità parassita (puoi immaginarne l'equivalente in parallelo) dovuta all'affacciamento gate-substrato con in mezzo l'ossido. questa capacità è sì essenziale al funzionamento del dispositivo stesso, in quanto permette di ottenere l'effetto di campo e la modulazione del canale, ma anche una limitazione alla velocità di switching, perchè la carica/scarica avviene esponenzialmente con costante T=1/RC

siccome l'esponenziale è del tipo V = Vo*e^-t/T (ad esempio)

aumentando l'alimentazione, e quindi Vo, ottieni una carica/scarica più veloce.
lo stesso effetto lo otterresti diminuendo C, in teoria.

spero di essere stato abbastanza chiaro, ma il discorso è MOLTO ampio.

riguardo al resto, io ti consiglio di non incasinarti con la quantistica che non è semplice... e comunque non ho capito che dubbio hai.

[[Excalibur]Quello_Vero]

@dariofgx:

Cicoandcico è quello che ti ha messo sulla buona strada.
Lascia perdere la fisica quantistica, altrimenti rischi di dire solo cavolate. Non puoi raggiungere una preparazione sufficiente in tempo utile per discuterne.

Buonissima la strada delle capacità parassite e del discorso voltaggio/velocità di commutazione.

Per la quantità di calore sviluppata da dissipare, tieni presente, come già detto da Cicoandcico, che il CMOS "consuma" un picco di corrente nel transitorio di commutazione (1->0 oppure 0->1). In un processore ci sono MILIONI di queste transizioni simultaneamente.

Inoltre, hai parlato solo di semiconduttori, ma vi state dimenticando tutti una cosa fondamentale: i cmos dei processori sono su base di Silicio drogato, ok, ma secondo voi le varie interconnessioni fra un blocco e l'altro chi le fa? Esatto, le linee di METAL (ci sono vari strati metallici SOPRA ai componenti in Silicio).
Suggerimento: cerca con Google "elettromigrazione" e scopri perchè troppo caldo non piace ad una CPU.

[dario fgx]

Originariamente inviato da cicoandcico

ok, cerco di essere più chiaro. si, commutazione è il passaggio tra conduzione e interdizione... d'altra parte nella logica digitale ha poco senso usare i transistor in regione attiva per amplificare.
il tempo di commutazione è legato all'alimentazione perchè tutti i mos (e i fet in generale) hanno una grande capacità parassita (puoi immaginarne l'equivalente in parallelo) dovuta all'affacciamento gate-substrato con in mezzo l'ossido. questa capacità è sì essenziale al funzionamento del dispositivo stesso, in quanto permette di ottenere l'effetto di campo e la modulazione del canale, ma anche una limitazione alla velocità di switching, perchè la carica/scarica avviene esponenzialmente con costante T=1/RC

siccome l'esponenziale è del tipo V = Vo*e^-t/T (ad esempio)

aumentando l'alimentazione, e quindi Vo, ottieni una carica/scarica più veloce.
lo stesso effetto lo otterresti diminuendo C, in teoria.

spero di essere stato abbastanza chiaro, ma il discorso è MOLTO ampio.

riguardo al resto, io ti consiglio di non incasinarti con la quantistica che non è semplice... e comunque non ho capito che dubbio hai.

quindi mi stai dicendo che il passare da conduzione a interdizione è molto simile alla carica scarica di un condensatore?l'equazione è simile.quindi dovrei ricavare T da quella espressione e vedere che questo dipende dalla tensione.riusciresti ad essere ancora un attimino più preciso in merito all'equazione?
Per il resto i miei dubbi sono:
1)x l'effetto joule se aumento la t la conducibilità si riduce
2)ma nei semiconduttori se aumento la t la conducibilità aumenta?
DOMANDA:Come faccio a relazionare i due fenomeni e spiegare com'è che se oc una cpu e sale troppo la temperatura questa si pianta?
grezie miliardi

[Ale88]

Non so quanto posso esserti di aiuto ma cercando su internet ho trovato in un forum questa frase: "A CPU is made up of transistors, when a transistor gets hot, it tends to leak current. Too much leakage can result in calculation errors, too many errors will cause a crash."

[[Excalibur]Quello_Vero]

Originariamente inviato da dario fgx

...
1)x l'effetto joule se aumento la t la conducibilità si riduce
2)ma nei semiconduttori se aumento la t la conducibilità aumenta?
DOMANDA:Come faccio a relazionare i due fenomeni e spiegare com'è che se oc una cpu e sale troppo la temperatura questa si pianta?

Lascia perdere la conducibilità che NON C'ENTRA UNA MAZZA.
Ripeto: NON devi trattare una CPU come un singolo componente, ma come un'entità di milioni di transistor;
all'aumentare della frequenza, aumentano sia i problemi di dissipazione del calore e di DERIVA TERMICA delle caratteristiche dei componenti, sia i problemi di sincronizzazione con i vari domini di clock (all'interno della CPU ci sono centinaia di clock derivati dal principale): se rispetto ad un albero di clock un certo gruppo di componenti (che vadano per esempio a formare un registro od un contatore) perde la sincronizzazione perchè qualche transistor va troppo lento/veloce nella commutazione, dati e segnali ad un certo punto si ritrovano corrotti. E la CPU si pianta.

[dario fgx]

Originariamente inviato da [Excalibur]Quello_Vero

Lascia perdere la conducibilità che NON C'ENTRA UNA MAZZA.
Ripeto: NON devi trattare una CPU come un singolo componente, ma come un'entità di milioni di transistor;
all'aumentare della frequenza, aumentano sia i problemi di dissipazione del calore e di DERIVA TERMICA delle caratteristiche dei componenti, sia i problemi di sincronizzazione con i vari domini di clock (all'interno della CPU ci sono centinaia di clock derivati dal principale): se rispetto ad un albero di clock un certo gruppo di componenti (che vadano per esempio a formare un registro od un contatore) perde la sincronizzazione perchè qualche transistor va troppo lento/veloce nella commutazione, dati e segnali ad un certo punto si ritrovano corrotti. E la CPU si pianta.

ciao publio varro!nn pretendo di trattare un'intera cpu come un singolo conduttore ma vorrei solo cercare di estendere un po' le nozioni teoriche sui semiconduttori alle cpu, mi basterebbe anche provare a spiegare come la temperatura troppo elevata può impedire anche ad un singolo transistore di funzionare correttamente

[dario fgx]

Originariamente inviato da [Excalibur]Quello_Vero

Lascia perdere la conducibilità che NON C'ENTRA UNA MAZZA.
Ripeto: NON devi trattare una CPU come un singolo componente, ma come un'entità di milioni di transistor;
all'aumentare della frequenza, aumentano sia i problemi di dissipazione del calore e di DERIVA TERMICA delle caratteristiche dei componenti, sia i problemi di sincronizzazione con i vari domini di clock (all'interno della CPU ci sono centinaia di clock derivati dal principale): se rispetto ad un albero di clock un certo gruppo di componenti (che vadano per esempio a formare un registro od un contatore) perde la sincronizzazione perchè qualche transistor va troppo lento/veloce nella commutazione, dati e segnali ad un certo punto si ritrovano corrotti. E la CPU si pianta.

ma io è propriio sulla conducibilità che devo impostare il discorso , nn conosco come funziona una cpu!....vorrei provare a spiegare perchè se la temperatura è troppo elevata una cpu smette di funzionare correttamente!

[[Excalibur]Quello_Vero]

Ehm... d'accordo, visto che vuoi farti male...

Sul come interviene la temperatura (KT=costante di Boltzmann x temp in Kelvin) nel cambio delle bande di conduzione puoi trovare la teoria qui:
Teoria del MosFET e tecnologia CMOS

In sostanza vedi che anche per un singolo transistor, un cambio di temperatura provoca un cambio della tensione di soglia (quel valore di tensione che serve per farlo commutare), della corrente di leakage, della resistenza di conduzione in ON, della pendenza delle caratteristiche, del peso dell'effetto body e di un sacco di cose carucce che messe insieme ti possono fare un'idea della MAREA di variabili che entrano in gioco.

Buona fortuna...

[sacd]

Originariamente inviato da dario fgx

ma io è propriio sulla conducibilità che devo impostare il discorso , nn conosco come funziona una cpu!....vorrei provare a spiegare perchè se la temperatura è troppo elevata una cpu smette di funzionare correttamente!

Quello provo a spigarlo io arivandoci per intuizione, poi magari qualcuno mi correggerà.Quando aumenti la temperatura, i vari strati di isolante fra le varie metal e zone drogate che hanno la funzione di appunto isolare dal passaggio di corrente certe zone possono venire a meno del loro compito in quanto poi le zone drogate, fornendogli energia (che all'interno della cpu è maggiore sotto forma di calore rispetto a quella che ti fanno vedere i vari programmi)tendono ad espandersi modificando la resistivita di alcune zone

[cicoandcico]

cerco di rispondere un po' a tutti i post ma la carne al fuoco è tanta!

come ha detto excalibur, lascia perdere la quantistica. esistono modi molto più semplici di spiegare queste cose, la quantistica si usa solo quando questi modi non sono più sufficienti (vedi ad ex effetto tunnel).

riguardo al datto che la cpu si pianta quando è troppo calda, CREDO che le motivazioni siano parecchie, ma soprattutto la deriva temica. quindi ti trovi ad avere componenti che lavorano in regioni a te non congeniali, magari di poco, ma le temporizzazioni sono ristrette e tanti piccoli scarti portano a una serie di stati o commutazioni non volute che generano il crash.

ripeto, CREDO che sia così. le variabili in gioco sono moltissime e dare una spiegazione significa cercare una scusa al funzionamento non voluto.
la conducibilità secondo me non c'entra proprio niente, andarla poi a spiegare con la maccanica statistica e la distribuzione di boltzmann è puro masochismo.
nemmeno roger moore, comunque, sa precisamente perchè una cpu crasha quando oscalda!

[dario fgx]

quindi in sostanza mi sono posto un obiettivo troppo al di fuori della mia portata e presunzione, pero' la questione della variazione della tensione di soglia con la temp, il variare della resistenza e la frequenza che dipende dalla tensione credo di portemele leggere