O que exatamente frita o chip quando você inverte a fonte de alimentação?

Pela minha própria experiência, gravar microcontroladores é bastante fácil. Coloque os 5V no chão, o GND no V _CC e em um instante seu chip será queimado.

O que exatamente acontece internamente que faz com que ele pare de funcionar completamente? Por exemplo, se eu fosse magicamente capaz de abrir um chip e reorganizar todas as suas conexões de semicondutores e consertá-lo, onde exatamente eu precisaria procurar e o que eu precisaria fazer?

Se for específico do chip, escolha um que possa responder à minha pergunta ou me dê uma idéia pelo menos.

A maioria dos circuitos IC comerciais são isolados do material do substrato por uma junção PN com polarização reversa (incluindo peças CMOS). O substrato geralmente está ligado à tensão que se espera ser mais negativa.

Caso contrário, essa junção torna-se polarizada para a frente e pode conduzir uma grande quantidade de corrente, fundindo metais ou aquecendo a junção até o ponto em que não atua mais como diodo. Isso geralmente está em uma voltagem de cerca de 0,6V, mas os fabricantes de IC jogam com segurança normalmente dizendo para você não ir abaixo de -0,3V.

(consultando o diagrama abaixo, mas não mostrado, o substrato seria amarrado ao pino 5)

A maioria das peças do CMOS tem outra reviravolta: se parte do chip tem um Vdd normal e outra parte vê uma grande corrente negativa, ele aciona um grande SCR parasita que é um efeito colateral da estrutura, então a fonte de alimentação do dispositivo consome uma grande corrente que causa superaquecimento, derretimento etc. se a corrente não for limitada externamente. Isso é chamado de travamento.

O que libera a fumaça azul mágica quando você excede as tensões de trabalho ou inverte a tensão de alimentação?

Aplicado a qualquer 'chip'

$I^2 R$

Considere a natureza fisicamente pequena, não linear, assimétrica (sensível à polaridade) dos dispositivos internos e seus pequenos caminhos de condução de calor. Junte isso à destruição de baixa tensão de camadas isolantes muito finas (alto campo V / m), produzindo vias de condução bidirecionais de baixa resistência.

A temperatura interna do dispositivo individual aumenta muito rapidamente e destrói suas propriedades de semicondutor / isolante. Uma vez destruído, isso produz outros caminhos de baixa resistência, causando várias falhas em cascata em outros dispositivos no chip.

Tudo isso acontece muito rapidamente e é um evento unidirecional . ( Pense em Humpty Dumpty - Reunir todas as peças não o levará de volta para onde você começou - Humpty deixou o prédio)

Como você pôde consertá-lo?

Basicamente, você não pode causar magia não existe. Haveria tantas falhas de interação no circuito que seria quase impossível localizar qualquer falha. (Lembre-se, mesmo em um IC 'simples', você está lidando com centenas de milhares de dispositivos.) Todos os dispositivos defeituosos teriam que ser identificados e substituídos ao mesmo tempo (supondo que você tivesse a capacidade de reconstruir todos os dispositivos defeituosos em nível atômico) - perca apenas um e você terá que começar novamente quando ligar.

A solução simples (e com a melhor relação custo-benefício em termos de tempo e dinheiro) joga fora o bug, aprenda com a experiência, substitua-o por um novo chip de especificações completas e da próxima vez tenha mais cuidado com a fonte de alimentação.

O que exatamente acontece internamente que faz com que ele pare de funcionar?

Um excesso de corrente, as junções podem resistir à corrente apenas em uma direção, quando a polaridade é inversa, elas se tornam curtos-circuitos. O calor é gerado, as junções queimam, bem como outros elementos superaquecidos.

Se eu fosse magicamente capaz de abrir um chip e reorganizar todas as suas conexões de semicondutores e consertá-lo ...

Você não pode consertá-lo (na prática) porque muitas junções agora estão quebradas / evaporadas, bem como seu ambiente imediato.

A proteção contra inversão de polaridade é bastante fácil (um diodo), no entanto, gera uma queda de tensão e calor adicional, o fabricante não o incorpora no chip, o usuário do IC pode adicionar um diodo externo, se necessário.

Como resposta tardia, vim aqui por meio de outra pergunta, mas notei que, na verdade, nenhuma dessas respostas aborda a verdadeira razão pela qual quase qualquer IC / Chip pode ser frito aplicando uma tensão de alimentação invertida.

O verdadeiro motivo é que todos os chips precisam ter proteção ESD em todos os pinos que não são pinos de alimentação com um circuito como este:

Então, quase todos os pinos têm isso! São muitos diodos em paralelo. Você pode destruir facilmente todos esses diodos invertendo o suprimento. E isso realmente destrói seu chip.

A trava conforme mencionado acima é um efeito que ocorre quando a fonte possui a polaridade correta, mas uma corrente é absorvida ou originada em uma entrada ou saída, causando um mau funcionamento, conforme explicado acima. Não tem nada a ver com reverter a oferta! Se você acha que estou falando bobagem, verifique como é realizado um teste de trava. Existem equipamentos de medição especializados para fazer esse teste.

Por favor, leia este excelente artigo explicando o travamento e observe que o suprimento é "normal", portanto não invertido! Quando ainda estiver em dúvida, leia o Teste de trava EIA / JEDEC STANDARD IC EIA / JESD78.

Como as estruturas de semicondutores são muito pequenas, é realmente uma tarefa bastante fácil queimá-las.

1. Distância livre - se você aplicar um campo elétrico grande o suficiente entre dois condutores, haverá uma avaria. Isso, estando em um chip, causa mau funcionamento do terminal. Isso ocorre principalmente no portão de uma estrutura FET.
2. Os semicondutores, em princípio, são dispositivos não lineares, sensíveis à polaridade. Isso, por sua vez, torna todo o dispositivo muito não linear e sensível à polaridade.
3. Milhões de outras razões que eu não consigo pensar agora ...