EN
Pautan Pantas
Elektronik moden benar-benar bermula apabila tiga orang di Makmal Bell — William Shockley, John Bardeen, dan Walter Brattain — mencipta transistor titik kenalan pada tahun 1947. Sebelum ini, semua peralatan bergantung kepada tiub vakum yang besar dan memakan banyak tenaga, serta mudah rosak. Peranti semikonduktor baharu yang mereka kembangkan jauh lebih kecil, menggunakan kurang elektrik, dan membolehkan peralatan mengecil secara ketara dari segi saiz. Beberapa tahun kemudian pada tahun 1951, Shockley memperkenalkan versinya yang dikenali sebagai transistor simpang, yang berfungsi lebih baik dari masa ke masa dan menjadikan pengeluaran komponen ini praktikal untuk digunakan secara meluas merentasi pelbagai industri. Ini pada asasnya membuka pintu lebar kepada pelbagai inovasi elektronik yang kita anggap biasa hari ini.
Yang pertama transistor bergantung kepada germanium kerana ia berfungsi agak baik sebagai bahan semikonduktor. Namun terdapat masalah apabila suhu melebihi kira-kira 75 darjah Celsius, yang menyebabkan mereka tidak boleh diharapkan untuk kebanyakan aplikasi industri. Keadaan berubah sekitar pertengahan tahun 1960-an apabila silikon mula mengambil alih sebagai bahan utama. Silikon mampu menahan haba yang jauh lebih tinggi, kebocoran arus yang kurang, dan berfungsi dengan lebih baik bersama penebat oksida yang semakin menjadi piawaian dalam industri. Seiring peningkatan kaedah untuk menumbuhkan hablur dan menambah bendasing melalui proses pendopan, pengilang mula menghasilkan wafer silikon secara konsisten. Perkembangan ini terbukti sangat penting untuk menjadikan semikonduktor semakin kecil dan lebih berkuasa dari masa ke masa.
Pada tahun 1958, Jack Kilby dari Texas Instruments dan Robert Noyce dari Fairchild Semiconductor telah mencipta sesuatu yang cukup bermakna: litar bersepadu. Keajaiban kecil ini meletakkan semua komponen elektronik berasingan tersebut ke atas satu keping silikon, bukannya disebarkan di papan litar. Melangkah maju ke pertengahan tahun 70-an apabila integrasi skala besar berkembang pesat, memadatkan puluhan ribu transistor kecil ke atas setiap cip. Ini selari dengan apa yang diramalkan oleh Gordon Moore pada masa itu mengenai kuasa komputer yang akan berganda setiap dua tahun. Seiring masa berlalu, peningkatan dalam teknik seperti litografi fotometrik dan kaedah yang lebih baik untuk membuat cip rata benar-benar mengukuhkan peranan silikon sebagai raja dunia digital. Kemajuan-kemajuan ini membolehkan bukan sahaja komputer harian kita tetapi juga perkara-perkara seperti telefon pintar, pelayan yang menjalankan laman web, dan malah sebahagian daripada pusat data moden yang mengekalkan operasi internet.
Hukum Moore secara asasnya menyatakan bahawa bilangan transistor pada satu cip berganda kira-kira setiap dua tahun, dan ini telah menggerakkan kemajuan komputer sejak Gordon Moore membuat ramalannya yang terkenal pada tahun 1965. Dengan melihat nombor-nombor tersebut, kita mendapati transistor telah mengecil daripada saiz kira-kira 10 mikrometer pada tahun 70-an kepada kurang daripada 5 nanometer kini pada tahun 2023, yang benar-benar meningkatkan kelajuan serta kecekapan operasi cip-cip ini. Terdapat sesuatu yang dikenali sebagai penskalaan Dennard yang dahulunya mengekalkan penggunaan kuasa secara stabil apabila transistor menjadi lebih kecil, tetapi ini mula berpecah sekitar tahun 2004 disebabkan oleh masalah arus rembesan dan isu pengurusan haba. Menurut Laporan Penskalaan Semikonduktor terkini dari tahun 2024, semua ini menyebabkan industri menukar strategi kepada penggunaan pelbagai teras (multi-core) bukannya hanya mempercepatkan teras tunggal, jadi pengeluar kini lebih menumpukan kepada pemprosesan selari berbanding cuba meningkatkan kelajuan jam (clock speeds).
Apabila kita sampai ke dimensi sub-5nm, perkara-perkara mula menjadi sangat rumit disebabkan oleh kesan penjelajahan kuantum dan kapasitans parasit yang mengganggu. Elektron tidak lagi berkelakuan seperti yang dijangkakan, sebaliknya cenderung merayap melepasi halangan pintu melalui kesan penjelajahan. Ini mencipta pelbagai arus rembesan yang boleh mengguna kira-kira 30% daripada jumlah kuasa dalam cip menurut penyelidikan Ponemon tahun lepas. Keadaan menjadi lebih buruk apabila mempertimbangkan kesan saluran pendek yang mengganggu kestabilan voltan ambang. Variasi meningkat kira-kira 15% pada nod-nod kecil ini seperti yang dinyatakan dalam kajian IEEE pada tahun 2022. Semua masalah ini bertindih antara satu sama lain dan menjadikan pengurusan ketumpatan kuasa sangat mencabar. Akibatnya, pengilang terpaksa melabur besar dalam sistem penyejukan yang canggih, sesuatu yang biasanya menambah mana-mana antara 20% hingga 40% kepada kos pengeluaran keseluruhan untuk cip-cip terkini ini.
Bilangan transistor terus meningkat, tetapi kaedah penskalaan lama kini kurang diminati oleh mereka yang arif. Menurut tinjauan IEEE tahun lepas, kira-kira dua pertiga jurutera semikonduktor berpendapat bahawa Hukum Moore pada dasarnya telah sampai ke titik buntu. Hanya kira-kira satu daripada sepuluh yang menjangkakan kita akan melihat cip silikon praktikal di bawah 1nm dalam masa terdekat. Kebanyakan syarikat kini mengalih fokus kepada penindanan cip 3D dan penggabungan komponen yang berbeza, bukan lagi dengan mengecilkan semua perkara ke dalam satu kepingan sahaja. Dari tren terkini, dunia teknologi nampaknya kurang memberi tumpuan kepada sekecil mana transistor dan lebih mementingkan betapa baik sistem secara keseluruhan berfungsi bersama. Ini menandakan perubahan besar dalam cara berfikir tentang apa yang dikira sebagai kemajuan sebenar dalam pembangunan semikonduktor.
Berpindah daripada transistor satah rata kepada struktur FinFET 3D yang canggih merupakan perubahan besar dalam mengawal arus elektrik dengan lebih baik. Rahsianya terletak pada pembungkusan pintu (gate) di sekeliling sirip silikon kecil yang tegak ini, yang mengurangkan kebocoran yang tidak diingini dan membolehkan pengecilan hingga kurang daripada 22 nanometer. Kemudian muncul transistor nanolembar yang membawa konsep ini lebih jauh, membolehkan jurutera menyesuaikan lebar saluran pengalir mengikut voltan yang perlu ditangani. Berdasarkan temuan industri, rekabentuk tiga dimensi ini terus berfungsi dengan baik pada saiz di bawah 3nm, sesuatu yang tidak lagi boleh dicapai dengan rekabentuk satah lama apabila mencapai kira-kira 28nm kerana masalah kebocoran dan pembaziran kuasa menjadi terlalu ketara.
Rekabentuk transistor Gate-all-around (GAA) membawa teknologi FinFET ke peringkat seterusnya dengan melitupi saluran sepenuhnya menggunakan bahan pintu dari semua arah. Litupan penuh ini memberikan kawalan yang jauh lebih baik ke atas sifat elektrik dan mengurangkan kebocoran yang tidak diingini sekitar 40 peratus. Selain itu, peranti ini menukar keadaan dengan lebih cepat dan berfungsi dengan baik apabila diskalakan di bawah tanda 2nm. Sementara itu, struktur Complementary FET (CFET) membawa perkara ini lebih jauh dengan menindihkan transistor jenis-n dan jenis-p secara menegak antara satu sama lain. Susunan pintar ini melipatgandakan bilangan komponen logik yang boleh dimuatkan dalam ruang yang sama tanpa memerlukan lebih banyak ruang pada permukaan cip. Kedua-dua pendekatan GAA dan CFET menangani beberapa masalah besar yang dihadapi oleh pengilang ketika cuba menguruskan kesan elektrostatik dan mengoptimumkan susun atur apabila ciri semikonduktor mengecut hingga ke dimensi atom.
Lombong semikonduktor terkemuka kini semakin hampir dengan proses fabrikasi bawah-2nm, walaupun transistor gate-all-around (GAA) mungkin baru mencapai pengeluaran pukal sekitar tahun 2025 berdasarkan unjuran semasa. Kebanyakan pelan induk industri kini lebih menumpu kepada peningkatan prestasi sambil mengurangkan penggunaan kuasa, bukan sekadar memadatkan lebih banyak transistor ke atas cip. Beberapa kemudahan perintis telah mula menguji teknik ikatan hibrid untuk membina struktur 3D monolitik yang canggih tersebut, menunjukkan bahawa syarikat kini berfikir secara lebih holistik tentang cara sistem-sistem keseluruhan berfungsi bersama. Perlaksanaan perlahan teknologi ini menyerlahkan mengapa begitu banyak dana terus dialirkan ke dalam peralatan litografi terkini dan sistem deposit maju. Tanpa naik taraf mahal ini, seluruh industri akan terhenti dengan cepat.
Integrasi 3D monolitik membolehkan pengilang mencipta beberapa lapisan aktif pada satu substrat menggunakan teknik fabrikasi berperingkat. Apabila digabungkan dengan teknologi CMOS tersusun, susunan ini membolehkan integrasi litar logik betul-betul bersebelahan dengan komponen memori. Kita kini melihat perkara seperti SRAM diletakkan secara langsung di bawah teras pengiraan. Namun begitu, isu haba antara lapisan dan pemindahan isyarat dari satu lapisan ke lapisan lain masih menjadi masalah. Walau bagaimanapun, peningkatan terkini dalam kaedah pengilangan suhu rendah bersama-sama dengan vias silikon menembusi (sambungan kecil yang menembusi wafer silikon) yang lebih baik menunjukkan kemungkinan produk sebenar akan muncul di pasaran untuk akselerator AI dan peranti komputasi tepi sekitar tahun 2026. Sesetengah pakar berpendapat jenis penskalaan ruang ini mungkin dapat mengekalkan Hukum Moore selama lebih kurang sepuluh tahun lagi sebelum kita menghadapi halangan seterusnya.
Bahan-bahan yang dikenali sebagai dikalkogenida logam peralihan, atau TMDs ringkasnya, termasuk bahan seperti molibdenum disulfida (MoS2) dan tungsten diselenida (WSe2). Bahan-bahan ini sangat nipis pada peringkat atom dan membenarkan elektron bergerak melaluinya dengan agak pantas. Apabila kita melihat ciri semikonduktor yang sangat kecil, TMD ini boleh mencapai nisbah arus hidup/mati melebihi 10 kepada kuasa 8 apabila beroperasi hanya pada 0.7 volt. Ini sebenarnya kira-kira 74 peratus lebih baik daripada apa yang boleh dicapai oleh silikon menurut penyelidikan terkini dari IMEC pada tahun 2023. Cara bahan-bahan ini bertindih dalam lapisan membantu mengawal kesan saluran pendek yang mengganggu walaupun ciri-ciri tersebut sehingga kira-kira 5 nanometer. Disebabkan sifat ini, ramai penyelidik percaya TMDs boleh menjadi blok binaan penting untuk cip komputer generasi seterusnya dan peranti logik lain pada tahun-tahun akan datang.
Walaupun mempunyai potensi, penerimaan meluas TMDs terhalang oleh ketumpatan kecacatan semasa enapan skala wafer. Epitaksi kawasan terpilih telah mengurangkan keadaan perangkap sebanyak 63%, namun ketumpatan kecacatan <3% masih diperlukan untuk pengeluaran berjumlah tinggi—suatu tolok ukur yang sehingga kini hanya dicapai dalam persekitaran makmal (Peta Jalan Semikonduktor 2024).
Transistor yang diperbuat daripada nanotube karbon sebenarnya boleh menggerakkan elektron dalam garis lurus tanpa serakan apabila panjangnya kira-kira 15 nanometer. Ini memberikan kelajuan pensuisan yang hampir tiga kali lebih cepat berbanding teknologi silikon FinFET tradisional. Namun, terdapat satu masalah. Penyelidik masih menghadapi kesukaran dalam mengawal kiraliti (yang menentukan sifat elektrik) dan mendapatkan keputusan pendopan yang konsisten, menjadikannya sukar untuk menghasilkan peranti yang boleh dipercayai secara konsisten. Grafena pula membentangkan satu kes yang menarik. Walaupun ia mempunyai konduktiviti yang luar biasa, ia tidak mempunyai jurang jalur semula jadi yang menyebabkannya tidak sesuai untuk litar digital biasa. Walau bagaimanapun, terdapat kerja-kerja yang menjanjikan dengan gabungan lapisan grafena dan boron nitrida heksagonal. Struktur hibrid ini mungkin mendapati kegunaan khusus dalam aplikasi tertentu di mana ciri unik mereka boleh dimanfaatkan secara berkesan.
Dorongan untuk membawa bahan 2D ke dalam pengeluaran biasa telah berfokus kepada kaedah deposit lapisan atom yang berfungsi baik dengan dielektrik-k-tinggi seperti HZO. Data terkini daripada kumpulan industri pada tahun 2024 menunjukkan kebanyakan kemudahan fabrikasi sudah menguji peralatan untuk bahan-bahan ini. Kira-kira 8 daripada 10 talian kini mempunyai susunan perkakasan untuk pemprosesan bahan 2D. Namun, masih terdapat masalah di hujung belakang proses pengeluaran di mana sambungan logam baharu perlu dibuat. Isunya adalah kepekaan terhadap haba kerana banyak proses tidak boleh melebihi 400 darjah Celsius tanpa merosakkan komponen. Had suhu ini memaksa jurutera mencari penyelesaian kreatif untuk menyambung bahan maju ini dengan betul tanpa menggugat prestasi.
Bilangan peranti IoT dijangka mencapai kira-kira 29 bilion menjelang tahun 2030, yang bermaksud transistor perlu menggunakan kurang daripada 1 mikroamp dalam mod siaga untuk mengekalkan operasi yang cekap. Kajian terkini menunjukkan bahawa litar subambang bersama dengan transistor kesan medan terowong yang kerap kita dengar kebelakangan ini boleh mengurangkan arus rembes hampir sebanyak 60 peratus berbanding teknologi MOSFET piawai. Apakah maksud sebenar ini bagi aplikasi dunia sebenar? Ia membolehkan sistem pemantauan alam sekitar dan juga beberapa peranti perubatan implan beroperasi selama bertahun-tahun dengan hanya satu casan sambil terus mengekalkan kuasa pemprosesan yang mencukupi untuk melaksanakan tugasnya dengan betul. Industri semikonduktor sedang giat memperkembangkan inovasi-inovasi ini kerana mereka menyedari betapa pentingnya bateri jangka panjang dalam pelbagai bidang.
Transistor silikon karbida (SiC) dan gallium nitrida (GaN) terkini mencapai kecekapan kira-kira 99.3% apabila digunakan dalam penyongsang solar, yang membantu mengurangkan sekitar 2.1 juta tan pelepasan CO2 setiap tahun secara keseluruhan. Kajian terkini daripada laporan infrastruktur tenaga menunjukkan bahawa komponen pensuisan maju ini telah mengurangkan kehilangan kuasa sebanyak kira-kira 40% dalam aplikasi grid pintar sejak rekod angka pada tahun 2020. Pengilang kini juga beralih kepada teknik pengekalan peringkat wafer. Pendekatan ini tidak sahaja mengurangkan kehilangan rintangan yang mengganggu tetapi juga serasi dengan kelengkapan fabrikasi 300mm sedia ada tanpa memerlukan rombakan besar terhadap kemudahan pengeluaran.
Cip neuromorfik yang menggunakan FET ferroelektrik (FeFETs) mencapai kecekapan tenaga sebanyak 1,000 kali lebih tinggi bagi setiap operasi sinaptik berbanding GPU—membolehkan pemasangan AI secara cekap di hujung rangkaian. Transistor filem nipis organik fleksibel kini mencapai mobiliti sehingga 20 cm²/V·s dan mampu menahan 500 kitaran lenturan, menyokong pemantau kesihatan yang tahan lama dan boleh dibasuh.
Reka bentuk transistor moden menyeimbangkan arus HABA (ION), kelajuan pensuisan, kos, dan ketahanan berdasarkan keperluan aplikasi. Transistor gred automotif beroperasi dengan boleh dipercayai pada suhu 175°C, manakala varian bioperubatan memenuhi keperluan kadar kegagalan ketat sebanyak 0.1% sepanjang jangka hayat 15 tahun. Pendekatan khusus aplikasi ini memastikan kemajuan teknologi diterjemahkan kepada kebolehpercayaan dan nilai dalam dunia sebenar.
Apakah kejayaan besar yang dicapai oleh Makmal Bell pada tahun 1947?
Pada tahun 1947, saintis dari Bell Labs mencipta transistor kesentuhan titik. Ini membolehkan peranti elektronik menjadi jauh lebih kecil dan cekap berbanding tiub vakum yang digunakan sebelumnya.
Mengapa silikon menjadi bahan pilihan berbanding germanium dalam transistor?
Silikon menggantikan germanium sebagai bahan semikonduktor pilihan pada pertengahan 1960-an kerana ia mampu menangani suhu yang lebih tinggi, mempunyai kebocoran yang kurang, dan berfungsi dengan lebih baik bersama penebat oksida.
Apakah Hukum Moore dan mengapa ia penting?
Hukum Moore meramalkan bahawa bilangan transistor pada satu cip akan berganda kira-kira setiap dua tahun, mendorong kemajuan dalam kuasa pengkomputeran dan kecekapan.
Apakah teknologi FinFET dan GAA?
FinFET dan Gate-All-Around (GAA) adalah seni bina transistor lanjutan yang menawarkan kawalan elektrik yang lebih baik dan mengurangkan kebocoran, menjadikannya sesuai untuk saiz cip yang lebih kecil.
Apakah bahan 2D dan peranan mereka dalam teknologi transistor?
bahan 2D, seperti TMDs, mengandungi lapisan atom yang nipis yang membolehkan pergerakan elektron yang lebih baik, memberikan kelebihan kecekapan berbanding lapisan silikon tradisional untuk semikonduktor masa depan.
Bagaimanakah inovasi transistor menyumbang kepada kecekapan tenaga?
Inovasi transistor, termasuk rekabentuk kuasa ultra-rendah dan bahan yang cekap dari segi tenaga, secara ketara mengurangkan penggunaan kuasa dalam peranti IoT, teknologi suria, dan grid pintar.