EN
Pikalinkit
Moderni elektroniikka lähti liikkeelle, kun kolme miestä Bell Labsissa – William Shockley, John Bardeen ja Walter Brattain – kehittivät pistekontaktitransistorin vuonna 1947. Ennen tätä kaikki perustui kömpelöihin tyhjiöputkiin, jotka kuluttivat paljon virtaa ja joissa oli taipumus rikkoutua. Heidän kehittämänsä uudet puolijohdelaitteet olivat huomattavasti pienempiä, käyttivät paljon vähemmän sähköä ja mahdollistivat laitteiden koon dramaattisen pienenemisen. Muutaman vuoden kuluttua vuonna 1951 Shockley kehitti oman versionsa, ns. liitostansistorin, joka toimi paremmin ajan myötä ja teki komponenttien valmistuksesta käytännöllistä laajassa mittakaavassa eri aloilla. Tämä avasi periaatteessa luukun kaikenlaisille elektronisille innovaatioille, joita pidämme nykyään itsestäänselvyyksinä.
Ensimmäinen muut kuin sähköiset luotiin germaniumiin, koska se toimi melko hyvin puolijohdemateriaalina. Ongelma kuitenkin oli, kun lämpötilat nousivat yli noin 75 celsiusastetta, mikä teki niistä epäluotettavia useimmilla teollisuuden sovellusaloilla. Tilanne muuttui vuosien 1960 keskipuolella, kun pii alkoi vallata asemaa suositumpana materiaalina. Pii kesti huomattavasti korkeampia lämpötiloja, vuoti vähemmän virtaa ja sopi paremmin teollisuudessa yleistyneisiin oksidieristeisiin. Kun kiteiden kasvatusmenetelmät ja seostusprosessit parantuivat, valmistajat pystyivät tuottamaan piilevyjä systemaattisesti. Tämä kehitys osoittautui erittäin tärkeäksi puolijohdintekniikan miniatuuroinnissa ja tehokkuuden kasvussa ajan myötä.
Vuonna 1958 Jack Kilby Texas Instrumentsilta ja Robert Noyce Fairchild Semiconductorilta keksivät jotain aika mullistavaa: integroidun piirin. Tämä pieni nerokkuus sijoitti kaikki erilliset elektroniset komponentit yhdelle piikiekolle sirun sijaan, että ne olisivat siroteltuina piirilevylle. Varsinkin 70-luvun puolivälissä suuren mittakaavan integrointi lähti vauhtiin, kun kymmeniätuhansia pieniä transistoreja pakattiin jokaiselle piille. Tämä oli täysin linjassa Gordon Mooren silloisen ennusteen kanssa tietokoneiden tehojen kaksinkertaistumisesta muutaman vuoden välein. Ajan myötä parannukset esimerkiksi valokuvatekniikoissa ja paremmissa menetelmissä tasolaisten piireiden valmistamiseen vahvistivat entisestään piin asemaa digitaalisen maailman hallitsijana. Nämä edistysaskeleet mahdollistivat paitsi arkipäivän tietokoneet myös älypuhelimet, verkkosivustoja pyörittävät palvelimet ja jopa osan nykyaikaisista tietokeskuksista, jotka pitävät internetin pyöriskelemässä.
Mooren laki periaatteessa tarkoittaa, että piirisirun transistorien määrä kaksinkertaistuu noin joka toinen vuosi, ja tämä on ohjannut tietokoneiden kehitystä siitä lähtien, kun Gordon Moore esitti kuuluisan ennusteen vuonna 1965. Tarkastelemalla lukemia huomataan, että transistorien koko on pienentynyt noin 10 mikrometristä 1970-luvulla alle 5 nanometriin vuonna 2023, mikä on merkittävästi parantanut sekä nopeutta että piirisirujen tehokkuutta. Aiemmin voimassa ollut Dennardin skaalaus säilytti tehonkulutuksen tasaisena transistorien pienentyessä, mutta tämä alkoi hajoamaan vu around 2004 johtuen vuotovirroista ja lämmönhallintavaikeuksista. Viimeisimmän puolijohdeskaalautumisraportin vuodelta 2024 mukaan tämä johti siihen, että teollisuus siirtyi keskittymään moniydinrakenteisiin yksinkertaisen ydinytimen nopeuttamisen sijaan, joten valmistajat keskittyvät nyt enemmän rinnakkaiseen käsittelyyn kuin kellotaajuuden nostamiseen.
Kun päästään alle 5 nm:än mittoihin, asiat alkavat muuttua todella haastaviksi kvanttitunneloinnin ja häiritsevien kylmäkapasitanssien vuoksi. Elektronit eivät enää käyttäydy odotetulla tavalla, vaan ne pyrkivät helposti tunneloitumaan ohi porttikiintymät. Tämä aiheuttaa erilaisia vuotovirtoja, jotka voivat kuluttaa jopa noin 30 % piirin kokonaisenergiasta viime vuoden Ponemonin tutkimuksen mukaan. Asia pahenee vielä lyhyiden kanavavaikutusten osalta, jotka vaikuttavat kynnysjännitteen stabiilisuuteen. Muutokset nousevat noin 15 %:n verran näissä hyvin pienissä solmuissa, kuten IEEE:n vuoden 2022 tutkimukset ovat huomauttaneet. Kaikki nämä ongelmat kasaantuvat ja tekevät tehontiheyden hallinnasta erittäin vaikeaa. Tuloksena valmistajien on täytynyt sijoittaa huomattavasti kehittyneisiin jäähdytysjärjestelmiin, mikä yleensä lisää näiden huippuluokan piirien valmistuskustannuksia 20–40 %.
Transistorien määrä jatkaa kasvamistaan, mutta vanhat skaalausmenetelmät eivät enää herätä suurta innostusta asiantuntijoiden keskuudessa. Viime vuoden IEEE-kyselyn mukaan noin kaksi kolmasosaa puolijohdeinsinööreistä katsoo, että Mooren laki on käytännössä törmännyt seinään. Vain noin joka kymmenes odottaa, että käytännöllisiä alle 1 nm:n piipiirejä tulee pian saataville. Useimmat yritykset siirtyvät keskittymään 3D-piiripinomiseen ja erilaisten komponenttien yhdistämiseen sen sijaan, että pyrkisivät kutistamaan kaikkea yhdeksi kokonaisuudeksi. Viimeaikaisia trendejä tarkasteltaessa teknologia-alan kiinnostus ei enää kohdistu niinkään transistorien pientymiseen vaan siihen, kuinka hyvin kokonaisjärjestelmät toimivat yhdessä. Tämä merkitsee melko suurta ajattelun muutosta siitä, mitä katsotaan oikeaksi edistykseksi puolijohdekehityksessä.
Siirtyminen tasomaisista transistoreista näihin hienoihin 3D FinFET-rakenteisiin oli suurelta osin mullava askel paremman sähkön hallinnan kannalta. Temppu on siinä, että ohjausalue (gate) käärii ympärille pystyssä olevaa pientä piifinia, mikä vähentää epätoivottua vuotovirtaa ja mahdollistaa komponenttien pienentämisen alle 22 nanometriin. Tämän jälkeen tulivat nanolevytransistorit, jotka veivät konseptia vielä pidemmälle, antaen insinööreille mahdollisuuden säätää johtavien kanavien leveyttä riippuen käsiteltävistä jännitteistä. Teollisuuden saavutusten valossa nämä kolmiulotteiset ratkaisut toimivat edelleen hyvin, kun päästään kokoihin, jotka ovat pienempiä kuin 3 nm – asia, joka ei ollut enää mahdollista vanhoilla tasorakenteilla noin 28 nm:n kohdalla, koska vuotovirrat ja hukkaan menevä teho paisuivat täysin käsistä.
Gate-all-around (GAA) -transistoriesitekniikka vie FinFET-teknologian seuraavalle tasolle käärimällä kanavan täysin ympärilleen ohjauselektronien materiaalilla kaikista suunnista. Tämä täysi peittävyys tarjoaa huomattavasti paremman hallinnan sähköisille ominaisuuksille ja vähentää epätoivottua vuotovirtaa noin 40 prosenttia. Lisäksi nämä komponentit vaihtavat tiloja nopeammin ja toimivat hyvin myös skaalattaessa alle 2 nm:n rajan. Toisaalta Complementary FET (CFET) -rakenteet kehittävät asiaa edelleen pinoamalla sekä n-tyyppiset että p-tyyppiset transistoreita toistensa päälle pystysuorassa asennossa. Tämä fiksusti suunniteltu järjestely kaksinkertaistaa logiikkakomponenttien määrän samassa tilassa ilman, että piirisirun pinta-alaa tarvitsee laajentaa. Sekä GAA että CFET -ratkaisut ratkaisevat vakavia ongelmia, joita valmistajat kohtaavat pystytettäessä elektrostaattisia vaikutuksia hallitsemaan ja optimoimaan asetteluita, kun puolijohdekomponenttien mitat kutistuvat atomitasolle.
Suurimmat puolijohdesirut ovat siirtymässä alle 2 nm:n valmistusprosesseihin, vaikka porttikaikkialla (GAA) -transistorien ennustetaan tulevan sarjatuotantoon noin vuonna 2025 nykyisten arvioiden mukaan. Useimmat teollisuuden roadmappaukset keskittyvät nyt parempaan suorituskykyyn kuluttamalla vähemmän virtaa pikemminkin kuin lisäämällä transistorien määrää piireillä. Jotkin pilottilaitokset ovat alkaneet kokeilla hybridisidontatekniikoita näiden hienojen monoliittisten 3D-rakenteiden luomiseksi, mikä osoittaa, että yritykset ajattelevat laajempaa kokonaiskuvaa siitä, miten koko järjestelmät toimivat yhdessä. Näiden teknologioiden hidas käyttöönotto korostaa, miksi niin paljon rahaa jatkuvasti ohjautuu viimeisimmän huipputeknologian litografia- ja edistyneisiin pinnoitusteknologiajärjestelmiin. Ilman näitä kalliita päivityksiä koko ala pysähtyisi melko nopeasti.
Monoliittinen 3D-integrointi mahdollistaa valmistajille useiden aktiivisten kerrosten luomisen yhdelle substraatille peräkkäisillä valmistustekniikoilla. Yhdistettynä pinotuun CMOS-teknologiaan tämä rakenne mahdollistaa logiikkapiirien integroinnin suoraan muistikomponenttien viereen. Näemme nyt esimerkiksi SRAM-muistin sijoittamista suoraan laskentaytimien alle. Lämpöongelmat kerrosten välillä sekä signaalien siirto toiselta kerrokselta toiselle aiheuttavat kuitenkin edelleen haasteita. Viimeaikaiset parannukset matalan lämpötilan valmistusmenetelmissä yhdessä tehokkaampien piiviisteiden (nämä pienet yhteydet, jotka kulkevat suoraan piilevyjen läpi) kanssa viittaavat siihen, että todellisia tuotteita saatetaan nähdä markkinoilla tekoälykiihdyttimille ja reuna-laitteille noin vuonna 2026? Joidenkin asiantuntijoiden mukaan tällainen spatiaalinen skaalaus saattaa pitää Mooren lain elossa noin kymmenen vuotta ennen kuin törmätään seuraavaan seinään.
Siirtymämetallidikalkogenidit eli lyhyemmin TMD:t sisältävät aineita kuten molybdeenidisulfidia (MoS2) ja volframidiselenidia (WSe2). Nämä materiaalit ovat erittäin ohuita atomitasolla, ja niissä elektronit voivat liikkua melko nopeasti. Kun tarkastellaan erittäin pieniä puolijohdeominaisuuksia, nämä TMD:t voivat saavuttaa päälle/pois-virtasuhteita yli 10 potenssiin 8 toimiessaan vain 0,7 voltin jännitteellä. Tämä on itse asiassa noin 74 prosenttia parempi kuin mitä pii pystyy saavuttamaan, ainakin vuoden 2023 IMECin tutkimusten mukaan. Näiden materiaalien kerrosten muodostama rakenne auttaa hallitsemaan hankalia lyhyen kanavan vaikutuksia, vaikka komponenttien koko pienenisi noin 5 nanometriin asti. Tämän ominaisuutensa vuoksi monet tutkijat uskovat, että TMD:t voivat olla tärkeitä rakennuspalikoita seuraavan sukupolven tietokonepiireissä ja muissa logiikkalaitteissa tulevaisuudessa.
Vaikka niillä on suuri potentiaali, TMD:n laajamittainen käyttöönotto on hidastunut vian tiheyksien vuoksi piastojen skaalaisessa pinnoituksessa. Valittualue-epitaxiaksi on vähentänyt loukkautumistiloja 63 %:lla, mutta korkean tuotantovolyymien valmistuksen kannalta tarvitaan yhä alle 3 %:n vian tiheys – tavoite, joka on saavutettu toistaiseksi ainoastaan laboratorio-olosuhteissa (2024 Semiconductor Roadmap).
Hiilinanoputkesta valmistetut transistorit voivat siirtää elektroneja suoraviivaisesti ilman sirontaa, kun niiden pituus on noin 15 nanometriä. Tämä antaa niille kytkentänopeudet, jotka ovat lähes kolme kertaa nopeammat verrattuna perinteiseen piipohjaiseen FinFET-teknologiaan. Mutta siinä on yksi mutka. Tutkijat kamppailevat yhä kiraliteetin (joka määrää sähköiset ominaisuudet) hallinnan ja johdotustulosten yhdenmukaisuuden kanssa, mikä vaikeuttaa luotettavien laitteiden tuotantoa tasaisesti. Grafeeni tarjoaa toisen mielenkiintoisen tapauksen. Vaikka sillä on erinomainen johtavuus, sillä ei ole luonnollista bandiaukkoa, mikä tekee siitä soveltumattoman tavallisiin digitaalipiireihin. Lupauksellista tutkimusta kuitenkin käydään grafeenin ja heksagonaalisen boorinitridikerrosten yhdistelmillä. Näillä hybridirakenteilla saattaa olla erityiskäyttökohteita tietyissä sovelluksissa, joissa niiden ainutlaatuisia ominaisuuksia voidaan hyödyntää tehokkaasti.
Pyrkimys tuoda kaksiulotteiset materiaalit tavalliseen valmistukseen on keskittynyt atomikerroskertytysmenetelmiin, jotka toimivat hyvin korkean dielektrisyysvakion omaavien materiaalien, kuten HZO:n, kanssa. Viimeisimmät teollisuusryhmän vuonna 2024 julkaistut tiedot osoittavat, että suurin osa valmistamotiloista testaa jo näitä materiaaleja varten tarkoitettua kalustoa. Noin kahdeksalla kymmenestä tuotantolinjasta on jo jonkinlainen työkalujärjestelmä kaksiulotteisten materiaalien käsittelyyn. Tuotannon jälkikäsittelyvaiheessa on kuitenkin edelleen ongelma, jossa uudet metalliyhteydet on muodostettava. Ongelmana on lämpöherkkyys, koska monet prosessit eivät voi ylittää 400 celsiusastetta komponenttien vaurioitumisen vaaran vuoksi. Tämä lämpötilarajoitus pakottaa insinöörit etsimään luovia ratkaisuja näiden edistyneiden materiaalien liittämiseksi ilman suorituskyvyn heikkenemistä.
IoT-laitteiden määrän odotetaan nousevan noin 29 miljardiin vuoteen 2030 mennessä, mikä tarkoittaa, että transistorien on kulutettava alle 1 mikroamppeeri lepotilassa, jotta laitteet pysyvät tehokkaasti toiminnassa. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että alivirtauspiirit yhdessä äskettäin paljon mainostettujen tunnelivaikutus-transistorien kanssa voivat vähentää vuotovirtoja lähes 60 prosenttia verrattuna perinteiseen MOSFET-teknologiaan. Mitä tämä tarkoittaa käytännön sovelluksissa? Se mahdollistaa sen, että ympäristön seurantalaitteet ja jopa jotkin istutettavat lääkinnälliset laitteet voivat toimia vuosia lataamatta samalla säilyttäen riittävästi suorituskykyä tehtäviensä asianmukaiseen hoitamiseen. Puolijohdeteollisuus edistää näitä innovaatioita aktiivisesti, koska se ymmärtää, kuinka kriittisen tärkeää pitkäkestoiset akut ovat yhä useammilla eri aloilla.
Uusimmat piikarbidipohjaiset (SiC) ja galliumnitridipohjaiset (GaN) -transistorit saavuttavat noin 99,3 %:n hyötysuhteen käytettäessä aurinkosähköinverttereissä, mikä auttaa vähentämään noin 2,1 miljoonaa tonnia CO2-päästöjä vuodessa yhteensä. Energia-infrastruktuurin raporteista tehdyt tuoreet tutkimukset osoittavat, että nämä edistyneet kytkentäkomponentit ovat vähentäneet tehohäviötä noin 40 % älykkäissä sähköverkko-sovelluksissa vuodesta 2020 alkaen. Valmistajat siirtyvät nyt myös kiekaspakkaustekniikoihin. Tämä lähestymistapa vähentää ei-toivottuja resistiivisiä häviöitä ja sopii samalla hyvin nykyiseen 300 mm valmistuslaitteistoon ilman, että tuotantolaitoksia tarvitsee laajamittaisesti uudistaa.
Neuromorfiset piirit, jotka käyttävät ferroelektrisia FET-transistoreita (FeFET), saavuttavat 1 000 kertaa paremman energiatehokkuuden per synaptinen operaatio verrattuna GPUihin – mahdollistaen tehokkaan tekoälyn käytön verkon reunalla. Joustavat orgaaniset ohutkalvotransistorit saavuttavat nykyään liikkuvuuden arvon 20 cm²/V·s ja kestävät 500 taivutussykliä, mikä tukee kestäviä, pesettäviä terveysvalvontalaitteita.
Nykyajan transistorien suunnittelu tasapainottaa kynnysvirran (ION), kytkentänopeuden, hinnan ja kestävyyden sovellustarpeiden mukaan. Autoteollisuuden käyttöön tarkoitetut transistorit toimivat luotettavasti 175 °C:ssa, kun taas lääketieteelliset versiot täyttävät tiukat 0,1 %:n vikaantumisvaatimukset 15 vuoden käyttöiän ajan. Tämä sovelluskohtainen lähestymistapa varmistaa, että teknologiset edistysaskeleet muuntuvat todelliseksi luotettavuudeksi ja arvoksi käytännössä.
Mikä oli Bell Labsin tekemä merkittävä läpimurto vuonna 1947?
Vuonna 1947 Bell Labsin tiedemiehet keksivät pistekontaktitransistorin. Tämä mahdollisti elektronisten laitteiden huomattavasti pienemmän koon ja paremman tehokkuuden verrattuna aiemmin käytettyihin tyhjiöputkiin.
Miksi piistä tuli etulyöntiasema germaniumiin verrattuna transistoreissa?
Pii korvasi germaniumin suositumpana puolijohteen materiaalina 1960-luvun puolivälissä, koska se kesti korkeampia lämpötiloja, sillä oli vähemmän vuotovirtoja ja se toimi paremmin oksidieristeiden kanssa.
Mikä on Mooren laki ja miksi se on merkityksellinen?
Mooren laki ennustaa, että piirisirulla olevien transistorien määrä kaksinkertaistuu noin joka kahden vuoden välein, mikä edistää laskentatehon ja tehokkuuden kehitystä.
Mitä ovat FinFET- ja GAA-tekniikat?
FinFET ja Gate-All-Around (GAA) ovat edistyneitä transistoriarkkitehtuureja, jotka tarjoavat parantunutta sähköistä ohjausta ja vähentävät vuotovirtoja, mikä tekee niistä sopivia pienempiin sirukokoihin.
Mitä ovat 2D-materiaalit ja niiden rooli transistoriteknologiassa?
2D-materiaalit, kuten TMD:t, sisältävät ohuita atomikerroksia, jotka mahdollistavat paremman elektronien liikkumisen ja tarjoavat tehokkuusedun perinteisiin piikerroksiin verrattuna tulevaisuuden puolijohteissa.
Miten transistorien innovaatio edistää energiatehokkuutta?
Transistorien innovaatiot, mukaan lukien erittäin alhaisen virrankulutuksen suunnittelut ja energiatehokkaat materiaalit, vähentävät merkittävästi virtakulutusta IoT-laitteissa, aurinkoenergiassa ja älyverkoissa.