EN
HURTIGE LINKS
Moderne elektronik tog rigtig fart, da de tre mænd på Bell Labs – William Shockley, John Bardeen og Walter Brattain – skabte punktkontakt-transistoren tilbage i 1947. Før dette var alt afhængigt af de spændingskrævende vakuumrør, som brugte enorme mængder strøm og var udsatte for at gå i stykker. De nye halvlederkomponenter, de udviklede, var meget mindre, brugte langt mindre elektricitet og gjorde det muligt for elektronik at krympe dramatisk i størrelse. Et par år senere, i 1951, udviklede Shockley sin egen version, kaldet junction-transistoren, som med tiden virkede bedre og gjorde produktionen af disse komponenter praktisk til bred industriel anvendelse. Dette åbnede grundlæggende døren for alle de elektroniske innovationer, vi i dag tager for givet.
Den første transistorer brugte germanium, fordi det fungerede ret godt som halvledermateriale. Der var dog et problem, når temperaturen steg over ca. 75 grader Celsius, hvilket gjorde dem utrygge til de fleste industrielle anvendelser. Rundt midt i 1960'erne ændrede situationen sig, da silicium begyndte at overtage som det foretrukne materiale. Silicium kunne klare langt højere temperaturer, udviste mindre lækstrøm og fungerede bedre med de oxidisolatorer, der blev standard i industrien. Da metoderne for at dyrke krystaller og tilføje urenheder gennem doteringsprocesser blev forbedret, begyndte producenter at fremstille siliciumskiver på en ensartet måde. Denne udvikling viste sig at være afgørende for, at halvledere kunne gøres mindre og mere kraftfulde over tid.
Tilbage i 1958 udviklede Jack Kilby hos Texas Instruments og Robert Noyce fra Fairchild Semiconductor noget ganske banebrydende: den integrerede kreds. Dette lille vidunderting samlede alle de separate elektroniske komponenter på ét stykke silicium i stedet for, at de var spredt ud over et kredsløbskort. Gå frem til midt i 70'erne, hvor vi så den store skala-integration tage fart, med titusindvis af små transistorer presset på hver enkelt chip. Det var præcist i tråd med det, Gordon Moore havde forudsagt dengang om, at computerkraften ville fordoble sig hvert andet år. Efterhånden som tiden gik, sikrede forbedringer inden for områder som fotolithografi-teknikker og bedre måder at producere flade chips, at silicium fastholdt sin rolle som konge i den digitale verden. Disse fremskridt gjorde ikke blot vores almindelige computere mulige, men også ting som smartphones, servere, der kører hjemmesider, og endda dele af moderne datacentre, der holder internettet kørende.
Moore's Lov siger grundlæggende, at antallet af transistorer på en chip fordobles cirka hvert andet år, og dette har styret computerudviklingen, siden Gordon Moore fremsatte sin berømte prognose tilbage i 1965. Hvis vi ser på tallene, kan vi se, at transistorer er gået fra omkring 10 mikrometer i størrelse i 70'erne til under 5 nanometer i dag i 2023, hvilket virkelig har øget både hastighed og effektiviteten i disse chips. Der var noget, der hedder Dennard-skalering, som hidtil holdt strømforbruget stabilt, mens transistorer blev mindre, men dette begyndte at bryde sammen omkring 2004 på grund af problemer med lækstrømme og varmehåndtering. Ifølge en nyere Semiconductor Scaling Report fra 2024 førte alt dette industrien til at skifte strategi og i stedet fokusere på flere kerner frem for blot at gøre enkelte kerner hurtigere, så producenterne nu lægger mere vægt på parallel behandling frem for at forsøge at øge klokkehastighederne.
Når vi kommer ned på under 5 nm, bliver det rigtig udfordrende på grund af kvantetunnel-effekten og de irriterende parasitiske kapaciteter. Elektronerne opfører sig simpelthen ikke som forventet længere, da de har en tendens til at 'sneake' sig forbi gate-barriererne via tunnel-effekter. Dette skaber alle mulige former for lækstrømme, som ifølge Ponemons undersøgelse fra sidste år faktisk kan udgøre omkring 30 % af den samlede effektforbrug i en chip. Og det bliver værre, når man ser på korte kanaleffekter, som påvirker, hvor stabil spændingstærsklen forbliver. Variationer stiger med omkring 15 % ved disse mikroskopiske strukturer, som anført i IEEE-studier fra 2022. Alle disse problemer stablet sig oven på hinanden og gør det ekstremt vanskeligt at håndtere effekttætheden. Som følge heraf har producenterne måttet investere kraftigt i sofistikerede kølesystemer, hvilket typisk tilføjer mellem 20 % og 40 % til de samlede produktionsomkostninger for disse avancerede chips.
Antallet af transistorer stiger konstant, men de gamle skaleringsmetoder får ikke længere meget opmærksomhed fra eksperter. Ifølge en IEEE-undersøgelse sidste år mener omkring to tredjedele af halvledningsingeniører, at Moores lov i bund og grund har nået en mur. Kun omkring hver tiende forventer, at vi snart vil se praktiske siliciumchips under 1 nm. De fleste virksomheder skifter fokus til 3D-chipstabling og kombination af forskellige komponenter i stedet for at forsøge at krympe alt ned til én enkelt enhed. Set ud fra nyere tendenser ser det ud til, at teknologiverdenen i mindre grad bekymrer sig over, hvor små transistorer er, og i højere grad fokuserer på, hvor godt hele systemer fungerer sammen. Dette markerer en ret stor ændring i forståelsen af, hvad der udgør reel fremgang i halvlederudvikling.
At skifte fra flade planære transistorer til de mere avancerede 3D FinFET-strukturer var nærmest en game changer for bedre strømstyring. Pointen er her, at gate’en omslutter denne lille lodrette siliciumfin, hvilket reducerer uønsket lækkage og gør det muligt at formindske størrelsen ned under 22 nanometer. Derefter kom nanosheet-transistorer, som tog dette koncept endnu et skridt videre og tillod ingeniører at justere bredden på ledningskanalerne afhængigt af de spændinger, de skulle håndtere. Set ud fra, hvad industrien har fundet ud af, fungerer disse tredimensionelle design stadig godt, selv når vi går ned på størrelser under 3 nm – noget, der ikke var muligt med de ældre planære designe, da vi nåede ned omkring 28 nm, fordi problemer med lækkage og spildt effekt blev helt uoverkommelige.
Gate-all-around (GAA) transistor-design tager FinFET-teknologien til det næste niveau ved at omgive kanalen fuldstændigt med gate-materiale fra alle retninger. Denne fulde dækning giver meget bedre kontrol over de elektriske egenskaber og reducerer uønsket lækkage med cirka 40 procent. Desuden skifter disse komponenter tilstand hurtigere og fungerer godt, når de formindskes under 2 nm. I mellemtiden går Complementary FET (CFET)-konstruktioner endnu et skridt videre ved at stable både n-type og p-type transistorer oven på hinanden lodret. Denne smarte opstilling fordobler antallet af logikkomponenter, der kan passe ind i samme areal, uden at kræve mere plads på chip-overfladen. Både GAA- og CFET-tilgangene løser nogle alvorlige problemer, som producenter står over for, når de skal styre elektrostatiske effekter og optimere layout, mens halvlederkomponenter krympes ned til atomare dimensioner.
De største halvlederfoundries er ved at komme tættere på under-2nm fremstillingsprocesser, selvom vi sandsynligvis vil se gate-all-around (GAA)-transistorer ramme masseproduktion omkring 2025 ifølge nuværende prognoser. De fleste industrivejplaner fokuserer nu på at opnå bedre ydeevne med mindre strømforbrug i stedet for blot at pakke flere transistorer på chip. Nogle pilotfaciliteter har allerede startet eksperimenter med hybrid-forbindelsesteknikker til at skabe de avancerede monolitiske 3D-strukturer, hvilket viser, at virksomheder tænker mere helhedsorienteret om, hvordan hele systemer fungerer sammen. Den langsomme implementering af disse teknologier understreger, hvorfor så meget penge fortsat flyder til nyeste generations litografiudstyr og avancerede afsætningsystemer. Uden disse dyre opgraderinger ville hele industrien hurtigt gå i stå.
Monolitisk 3D-integration giver producenter mulighed for at oprette flere aktive lag på ét substrat ved hjælp af sekventielle fremstillingsmetoder. Når denne teknologi kombineres med stacked CMOS-teknologi, bliver det muligt at integrere logikkredsløb lige ved siden af hukommelseskomponenter. Vi ser nu eksempler som SRAM, der placeres direkte under compute-kerner. Termiske problemer mellem lagene samt overførsel af signaler fra et lag til et andet udgør dog stadig udfordringer. Men nyere forbedringer inden for lavtemperatur-fremstillingsmetoder sammen med bedre gennemgående forbindelser i silicium (de små lodrette forbindelser gennem siliciumskiver) peger mod, at faktiske produkter kan nå markedet omkring 2026, især til AI-acceleratorer og edge-computing-enheder. Nogle eksperter mener, at denne type rumlig skalering måske kan holde Moore's lov i live i yderligere cirka ti år, før vi rammer en ny mur.
Materialer kendt som overgangsmetaldikalchogenider, eller TMD'er for forkortet, inkluderer stoffer som molybdendisulfid (MoS2) og wolframsdiselenid (WSe2). Disse materialer er ekstremt tynde på atomniveau og tillader, at elektroner bevæger sig gennem dem ret hurtigt. Når vi ser på meget små halvlederkomponenter, kan disse TMD'er opnå tændt/slukket strømforhold over 10 i ottende potens, når de fungerer ved kun 0,7 volt. Det er faktisk cirka 74 procent bedre end hvad silicium kan yde, ifølge nylige undersøgelser fra IMEC fra 2023. Den måde, disse materialer stables i lag, hjælper med at kontrollere irriterende korte kanaleffekter, selv når komponenterne er nede omkring 5 nanometer. På grund af denne egenskab mener mange forskere, at TMD'er kunne blive vigtige byggestenene i næste generations computere og andre logikkomponenter i årene fremover.
På trods af deres potentiale er den udbredte anvendelse af TMD-halvledere hæmmet af defekttætheder under afsætning i waferskala. Selektiv område-epitaksi har reduceret fældeforstyrrelser med 63 %, men en defekttæthed på under 3 % er stadig nødvendig for produktion i stor målestok – et niveau som hidtil kun er opnået i laboratoriemiljøer (2024 Semiconductor Roadmap).
Transistorer fremstillet af kulstofnanorør kan faktisk flytte elektroner i en lige linje uden spredning, når de er omkring 15 nanometer lange. Dette giver dem switchehastigheder, der er næsten tre gange hurtigere sammenlignet med traditionel silicium FinFET-teknologi. Men der er et problem. Forskere kæmper stadig med at kontrollere chiraliteten (som bestemmer de elektriske egenskaber) og opnå konsekvent doping, hvilket gør det svært at producere pålidelige enheder på en konsekvent måde. Grafen udgør et andet interessant tilfælde. Selvom det har en fantastisk ledningsevne, mangler det et naturligt båndgab, hvilket gør det uegnet til almindelige digitale kredsløb. Der foregår dog nogle lovende undersøgelser med kombinationer af grafen og lag af hexagonalt boronnitrid. Disse hybride strukturer kunne finde anvendelse i specialiserede applikationer, hvor deres unikke egenskaber kan udnyttes effektivt.
Fremstødet for at integrere 2D-materialer i almindelig produktion har fokuseret på afsætningsmetoder i atomlag, som fungerer godt med high-k dielektrika såsom HZO. Nylige data fra en branchegruppe i 2024 viser, at de fleste fabrikationsfaciliteter allerede tester udstyr til disse materialer. Omkring 8 ud af 10 produktionslinjer har i dag en form for udstyrsopsætning til behandling af 2D-materialer. Men der er stadig et problem i slutningen af produktionsprocessen, hvor nye metalforbindelser skal oprettes. Problemet er varmefølsomheden, da mange processer ikke kan overstige 400 grader Celsius uden at beskadige komponenter. Denne temperaturbegrænsning tvinger ingeniører til at finde kreative løsninger for korrekt at forbinde disse avancerede materialer, uden at ydeevnen kompromitteres.
Antallet af IoT-enheder forventes at nå op på omkring 29 milliarder i 2030, hvilket betyder, at transistorer skal forbruge mindre end 1 mikroampere i standby-tilstand for at holde tingene kørende effektivt. Nyere forskning har vist, at kredsløb under spændingstærsklen sammen med de tunnel-effekt-transistorer, vi har hørt meget om senest, kan reducere lækstrømme med næsten 60 procent i forhold til standard MOSFET-teknologi. Hvad betyder dette egentlig for praktiske anvendelser? Det gør, at overvågningssystemer til miljøet og endda nogle indbydende medicinske enheder kan fungere i flere år på én opladning, samtidig med at de stadig har tilstrækkelig databehandlingskraft til korrekt at udføre deres opgaver. Halvlederindustrien driver virkelig disse innovationer fremad, fordi de er klar over, hvor afgørende langvarige batterier bliver på så mange forskellige områder.
De nyeste siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) transistorer opnår cirka 99,3 % effektivitet, når de anvendes i solinvertere, hvilket hjælper med at reducere CO2-udledningen med omkring 2,1 millioner ton årligt i alt. Nyere undersøgelser fra energiinfrastruktur-rapporter viser, at disse avancerede switch-komponenter siden 2020 har reduceret strømtab med cirka 40 % i smart grid-applikationer. Producenter vender sig nu også mod wafer-level-pakningsteknikker. Denne tilgang reducerer ikke kun de irriterende resistive tab, men harmonerer også godt med eksisterende 300 mm fremstillingsudstyr uden behov for omfattende ombygninger af produktionsfaciliteter.
Neuromorfe kredsløb, der bruger ferroelektriske FET'er (FeFET'er), opnår en energieffektivitet, der er 1.000 gange bedre pr. synaptisk operation end GPU'er – hvilket muliggør effektiv implementering af kunstig intelligens ved netværkskanten. Fleksible organiske tyndfilmstransistorer når nu mobiliteter på 20 cm²/V·s og kan tåle 500 bøjningscyklusser, hvilket understøtter holdbare, vaskbare helbredsmonitorer.
Moderne transistor-design balancerer ON-strøm (ION), switch-hastighed, omkostninger og holdbarhed ud fra anvendelsesbehov. Transistorer til bilindustrien fungerer pålideligt ved 175 °C, mens biomedicinske varianter opfylder strenge krav om en fejlrate på 0,1 % over en levetid på 15 år. Denne applikationsspecifikke tilgang sikrer, at teknologiske fremskridt bliver til reel pålidelighed og værdi i praksis.
Hvad var den store gennembrud, som Bell Labs opnåede i 1947?
I 1947 opfandt videnskabsmænd fra Bell Labs punktkontakt-transistoren. Dette gjorde det muligt for elektroniske enheder at blive meget mindre og mere effektive i forhold til de vakuumrør, der tidligere blev brugt.
Hvorfor blev silicium det foretrukne materiale frem for germanium i transistorer?
Silicium erstattede germanium som det foretrukne halvledermateriale i midten af 1960'erne, fordi det kan klare højere temperaturer, har mindre lækstrøm og fungerer bedre med oxid-isolatorer.
Hvad er Moores lov, og hvorfor er den betydningsfuld?
Moores lov forudsiger, at antallet af transistorer på en chip vil fordoble sig cirka hvert andet år, hvilket driver fremskridt i regnekraft og effektivitet.
Hvad er FinFET og GAA-teknologier?
FinFET og Gate-All-Around (GAA) er avancerede transistorarkitekturer, der giver bedre elektrisk kontrol og reducerer lækstrøm, hvilket gør dem velegnede til mindre chippemål.
Hvad er 2D-materialer, og hvilken rolle spiller de i transistorteknologi?
2D-materialer, såsom TMD'er, indeholder tynde atomlag, der tillader bedre elektronbevægelse og derved giver efficiensfordele i forhold til traditionelle siliciumlag for fremtidige halvledere.
Hvordan bidrager transistorteknologisk innovation til energieffektivitet?
Transistorteknologisk innovation, herunder ekstremt lavt strømforbrug og energieffektive materialer, reducerer markant strømforbruget i IoT-enheder, solteknologi og smarte elnet.