EN
Snelle koppelingen
Moderne elektronica begon pas echt toen die drie mannen bij Bell Labs — William Shockley, John Bardeen en Walter Brattain — in 1947 de puntcontacttransistor creëerden. Daarvoor was alles afhankelijk van die grote vacuümbuizen die veel stroom verbruikten en snel kapotgingen. De nieuwe halfgeleiderapparaten die zij ontwikkelden waren veel kleiner, gebruikten aanzienlijk minder elektriciteit en maakten het mogelijk dat apparaten sterk konden krimpen in grootte. Enkele jaren later, in 1951, bedacht Shockley zijn versie, de junctiontransistor, die beter presteerde op de lange termijn en de productie van deze componenten praktisch maakte voor wijdverbreid gebruik in verschillende industrieën. Dit opende eigenlijk de deuren voor allerlei elektronische innovaties die we tegenwoordig als vanzelfsprekend beschouwen.
De eerste transistoren vertrouwde op germanium omdat het vrij goed werkte als halfgeleidermateriaal. Er was echter een probleem wanneer de temperaturen boven ongeveer 75 graden Celsius uitstegen, waardoor ze onbetrouwbaar waren voor de meeste industriële toepassingen. Rond de jaren '60 van de twintigste eeuw veranderde dit toen silicium steeds meer het standaardmateriaal werd. Silicium kon veel hogere temperaturen verdragen, lekte minder stroom en werkte beter met de oxide-isolatoren die in die tijd standaard werden in de industrie. Naarmate de methoden verbeterden voor het kweken van kristallen en het toevoegen van onzuiverheden via doteringsprocessen, begonnen fabrikanten siliciumschijven op consistente wijze te produceren. Deze ontwikkeling bleek van cruciaal belang voor het kleiner en krachtiger maken van halfgeleiders in de loop der tijd.
Terug in 1958 bedachten Jack Kilby van Texas Instruments en Robert Noyce van Fairchild Semiconductor iets behoorlijk baanbrekends: de geïntegreerde schakeling. Dit kleine wonder plaatste alle afzonderlijke elektronische onderdelen op één stukje silicium, in plaats van dat ze verspreid lagen over een printplaat. Ruim twintig jaar later, rond het midden van de jaren '70, kwam grootschalige integratie op gang, waarbij tienduizenden minuscule transistors op elke chip werden geperst. Dat paste precies bij wat Gordon Moore destijds had voorspeld over de verdubbeling van computerkracht om de paar jaar. Naarmate de tijd vorderde, zorgden verbeteringen in onder andere fotolithografietechnieken en betere methoden voor het produceren van vlakke chips ervoor dat silicium zijn positie als heerser van de digitale wereld vast kon leggen. Deze vooruitgang maakte niet alleen onze alledaagse computers mogelijk, maar ook dingen als smartphones, servers die websites draaien, en zelfs onderdelen van moderne datacenters die het internet laten draaien.
De wet van Moore houdt in dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt, en dit bepaalt al decennia de vooruitgang in computers sinds Gordon Moore zijn beroemde voorspelling deed in 1965. Als we naar de cijfers kijken, zien we dat transistors zijn geslonken van ongeveer 10 micrometer in grootte tijdens de jaren '70 tot minder dan 5 nanometer in 2023, wat zowel de snelheid als de efficiëntie van deze chips aanzienlijk heeft verbeterd. Er was iets dat Dennard-schaalvergroting werd genoemd, wat ervoor zorgde dat het stroomverbruik stabiel bleef terwijl transistors kleiner werden, maar dit begon rond 2004 uiteen te vallen vanwege problemen met lekstromen en warmtebeheersing. Volgens een recente Semiconductor Scaling Report uit 2024 heeft dit ertoe geleid dat de industrie is overgeschakeld op het gebruik van meerdere kernen in plaats van enkele kernen sneller te maken, waardoor fabrikanten zich nu meer richten op parallelle verwerking in plaats van kloksnelheden verder te verhogen.
Wanneer we naar sub-5nm afmetingen gaan, wordt het echt lastig vanwege kwantumtunneling en die vervelende paracitaire capaciteiten. De elektronen gedragen zich namelijk niet langer zoals verwacht; ze glippen steeds vaker via tunnel-effecten langs de gate-barrières. Dit veroorzaakt allerlei lekstromen die volgens onderzoek van Ponemon uit vorig jaar zelfs ongeveer 30% van het totale stroomverbruik van een chip kunnen vertegenwoordigen. En het wordt erger bij korte kanaaleffecten, die invloed hebben op de stabiliteit van de drempelspanning. Variaties nemen volgens IEEE-studies uit 2022 op deze minuscule nodes met ongeveer 15% toe. Al deze problemen versterken elkaar en maken het beheersen van de vermogensdichtheid uiterst moeilijk. Als gevolg daarvan zijn fabrikanten genoodzaakt zwaar te investeren in geavanceerde koelsystemen, wat doorgaans tussen de 20% en 40% aan de totale productiekosten toevoegt voor deze ultramoderne chips.
Het aantal transistors blijft stijgen, maar ouderwetse schaalmethoden krijgen tegenwoordig niet veel waardering meer van kenners. Volgens een peiling van IEEE vorig jaar denkt ongeveer twee derde van de halfgeleideringenieurs dat de wet van Moore feitelijk tegen een muur is aangelopen. Slechts ongeveer één op de tien verwacht dat we binnenkort praktische siliciumchips onder de 1nm zullen zien. De meeste bedrijven verleggen hun focus naar 3D-chipstapeling en het combineren van verschillende componenten, in plaats van alles proberen te verkleinen tot één geïntegreerde eenheid. Gezien recente trends lijkt de technologiewereld steeds minder belang te hechten aan hoe klein transistors zijn, en meer aan hoe goed hele systemen samenwerken. Dit markeert een behoorlijke verschuiving in de manier waarop vooruitgang in halfgeleiderontwikkeling wordt bekeken.
Het overstappen van platte planaire transistors naar die geavanceerde 3D FinFET-structuren was eigenlijk een game changer voor een betere stroombeheersing. Het zit hem in het omhullen van de gate rondom deze kleine rechtopstaande siliciumvin, waardoor ongewenste lekstromen worden verminderd en het mogelijk wordt om componenten te verkleinen tot onder de 22 nanometer. Vervolgens kwamen de nanosheet-transistors die dit concept nog verder uitbreidden, waardoor ingenieurs de breedte van de geleidende kanalen konden aanpassen afhankelijk van de benodigde voltagebelasting. Uit onderzoek blijkt dat deze driedimensionale ontwerpen goed blijven presteren bij afmetingen kleiner dan 3 nm, iets wat met oudere planaire ontwerpen niet haalbaar was geworden rond de 28 nm, omdat de problemen met lekstroom en verspilde energie toen volledig uit de hand liepen.
Het Gate-all-around (GAA) transistorontwerp brengt FinFET-technologie naar het volgende niveau door het kanaal volledig van alle kanten met gate-materiaal te omhullen. Deze volledige bedekking zorgt voor veel betere controle over de elektrische eigenschappen en vermindert ongewenste lekstromen met ongeveer 40 procent. Bovendien schakelen deze componenten sneller van staat en functioneren ze goed bij verkleining tot onder de 2 nm. Ondertussen gaan Complementary FET (CFET)-structuren nog een stap verder door n-type en p-type transistors verticaal bovenop elkaar te stapelen. Deze slimme opstelling verdubbelt het aantal logica-componenten dat in dezelfde ruimte past, zonder meer oppervlakte op de chip te hoeven gebruiken. Beide aanpakken, GAA en CFET, lossen serieuze problemen op die fabrikanten tegenkomen bij het beheersen van elektrostatische effecten en het optimaliseren van layout wanneer halfgeleidercomponenten krimpen tot atomaire afmetingen.
De toonaangevende semiconductorfabrieken gaan steeds dichter bij productieprocessen op sub-2nm-niveau komen, hoewel naar verwachting gate-all-around (GAA)-transistors rond 2025 in massaproductie kunnen worden gebracht, volgens de huidige prognoses. De meeste industrieroadmaps richten zich nu op het verbeteren van prestaties met minder stroomverbruik, in plaats van simpelweg meer transistors op chips te plaatsen. Enkele proefinstallaties zijn begonnen met experimenteren van hybride bonding-technieken voor de creatie van die geavanceerde monolithische 3D-structuren, wat aangeeft dat bedrijven breder denken over hoe complete systemen samenwerken. De trage introductie van deze technologieën benadrukt waarom er zo veel geld blijft stromen naar ultramoderne lithografie-apparatuur en geavanceerde afzettingssystemen. Zonder deze dure upgrades zou de hele industrie vrij snel stilvallen.
Monolithische 3D-integratie stelt fabrikanten in staat om meerdere actieve lagen op één substraat te creëren met behulp van sequentiële fabricagetechnieken. In combinatie met gestapelde CMOS-technologie maakt deze opstelling het mogelijk logica-schakelingen direct naast geheugencomponenten te integreren. We zien nu bijvoorbeeld al SRAM die direct onder rekenkernen wordt geplaatst. Thermische problemen tussen de lagen en het doorgeven van signalen van de ene laag naar de andere vormen echter nog steeds uitdagingen. Recente verbeteringen in productietechnieken bij lage temperatuur, samen met betere through-silicon vias (die kleine verticale verbindingen dwars door siliciumwafers), wijzen erop dat rond 2026 misschien daadwerkelijke producten op de markt zullen komen voor AI-acceleratoren en edge computing-apparaten. Sommige experts denken dat dit soort ruimtelijke schaling de wet van Moore nog ongeveer tien jaar in stand kan houden, voordat we opnieuw een grens bereiken.
Materialen die overgangsmetaal-dichalcogeniden worden genoemd, of kortweg TMD's, omvatten stoffen zoals molybdeen-disulfide (MoS2) en wolfraam-diselenide (WSe2). Deze materialen zijn op atomaire schaal uiterst dun en laten elektronen vrij snel door zich heen bewegen. Bij zeer kleine halfgeleiderkenmerken kunnen deze TMD's schakelverhoudingen van stroom aan/uit boven de 10 tot de macht 8 bereiken bij een bedrijfsspanning van slechts 0,7 volt. Dat is volgens recent onderzoek van IMEC uit 2023 ongeveer 74 procent beter dan wat silicium kan presteren. De manier waarop deze materialen in lagen op elkaar gestapeld zijn, helpt om lastige korte-kanaaleffecten te beheersen, zelfs wanneer de kenmerken tot ongeveer 5 nanometer afnemen. Vanwege deze eigenschap gelooft veel onderzoekers dat TMD's belangrijke bouwstenen kunnen worden voor computerchips van de volgende generatie en andere logica-componenten in de komende jaren.
Ondanks hun potentieel wordt de wijdverspreide toepassing van TMD's belemmerd door defectdichtheden tijdens depositie op waferschaal. Selectieve gebiedsepitaxie heeft het aantal valstroken met 63% verlaagd, maar een defectdichtheid van minder dan 3% is nog steeds noodzakelijk voor productie in grote volumes — een norm die tot nu toe alleen in laboratoriumomgevingen is bereikt (Semiconductor Roadmap 2024).
Transistors gemaakt van koolstofnanobuizen kunnen elektronen daadwerkelijk in een rechte lijn verplaatsen zonder verstrooiing wanneer ze ongeveer 15 nanometer lang zijn. Dit geeft hen schakelsnelheden die bijna drie keer sneller zijn dan de traditionele silicium FinFET-technologie. Maar er zit een addertje onder het gras. Onderzoekers hebben nog steeds moeite met het beheersen van de chiraliteit (die de elektrische eigenschappen bepaalt) en het verkrijgen van consistente dopingresultaten, waardoor het lastig is om betrouwbare apparaten op consistente wijze te produceren. Grafene stelt een andere interessante casus voor. Hoewel het uitstekende geleidbaarheid heeft, bezit het geen natuurlijke bandgap, waardoor het ongeschikt is voor standaard digitale schakelingen. Er wordt echter wel veelbelovend werk verricht met combinaties van grafen- en hexagonale boornitridelagen. Deze hybride structuren zouden niche-toepassingen kunnen vinden in specifieke toepassingen waar hun unieke kenmerken effectief benut kunnen worden.
De drang om 2D-materialen in reguliere productie te integreren, heeft zich toegespitst op afzetmethoden op atoomniveau die goed werken met high-k-dielektrica zoals HZO. Recente gegevens van een brancheorganisatie uit 2024 tonen aan dat de meeste fabricagefaciliteiten momenteel al apparatuur testen voor deze materialen. Ongeveer 8 van de 10 productielijnen beschikken nu over een of andere vorm van gereedschap voor de verwerking van 2D-materialen. Maar er blijft nog een probleem bestaan aan het einde van het productieproces, waar nieuwe metalen verbindingen moeten worden aangebracht. Het probleem is de gevoeligheid voor warmte, omdat veel processen de 400 graden Celsius niet kunnen overschrijden zonder onderdelen te beschadigen. Deze temperatuurbeperking dwingt ingenieurs ertoe creatieve oplossingen te vinden om deze geavanceerde materialen correct te verbinden zonder de prestaties te beïnvloeden.
Het aantal IoT-apparaten wordt verwacht rond de 29 miljard te bereiken in 2030, wat betekent dat transistors in stand-by-modus minder dan 1 micro-ampère moeten verbruiken om efficiënt te blijven functioneren. Recente onderzoeken hebben aangetoond dat subthreshold-schakelingen, samen met de tunnelveld-effecttransistors waar we de laatste tijd zo veel over horen, lekstromen kunnen verminderen met bijna 60 procent in vergelijking met standaard MOSFET-technologie. Wat betekent dit nu eigenlijk voor toepassingen in de praktijk? Het stelt milieu-monitoringsystemen en zelfs sommige implanteerbare medische apparaten in staat jarenlang op één acculading te functioneren, terwijl ze nog steeds voldoende rekenkracht behouden om hun taak correct uit te voeren. De halfgeleiderindustrie zet deze innovaties krachtig door, omdat men zich bewust is van het toenemende belang van langdurige batterijlevensduur in talloze verschillende sectoren.
De nieuwste siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) transistors behalen een efficiëntie van ongeveer 99,3% wanneer ze worden gebruikt in zonnepanelenomvormers, wat jaarlijks bijdraagt aan een reductie van ongeveer 2,1 miljoen ton CO2-uitstoot. Recente studies uit energie-infrastructuurrapporten geven aan dat deze geavanceerde schakelcomponenten het vermogensverlies in slimme nettoepassingen sinds de cijfers van 2020 met ongeveer 40% hebben verlaagd. Fabrikanten grijpen nu ook steeds vaker terug op waferlevelverpakkingsmethoden. Deze aanpak vermindert niet alleen lastige resistieve verliezen, maar is ook goed te combineren met bestaande 300 mm fabricage-apparatuur zonder dat grote wijzigingen in productiefaciliteiten nodig zijn.
Neuromorfe chips die ferro-elektrische FET's (FeFET's) gebruiken, bereiken een 1.000— betere energie-efficiëntie per synaptische operatie dan GPUs—waardoor efficiënte AI-inzet aan de netwerkrand mogelijk wordt. Flexibele organische dunne-filmtransistors bereiken nu mobiliteiten van 20 cm²/V·s en weerstaan 500 buigcycli, wat duurzame, wasbare gezondheidsmonitors ondersteunt.
Moderne transistorontwerpen balanceren ON-stroom (ION), schakelsnelheid, kosten en duurzaamheid op basis van toepassingsbehoeften. Automotive-gradetransistors functioneren betrouwbaar bij 175 °C, terwijl biomedische varianten voldoen aan strenge eisen van 0,1% faalkans over een levensduur van 15 jaar. Deze toepassingsspecifieke aanpak zorgt ervoor dat technologische vooruitgang zich vertaalt naar betrouwbaarheid en waarde in de praktijk.
Wat was de belangrijke doorbraak die Bell Labs maakte in 1947?
In 1947 ontwikkelden wetenschappers van Bell Labs de puntcontacttransistor. Dit maakte het mogelijk dat elektronische apparaten veel kleiner en efficiënter werden in vergelijking met de vacuümbuizen die eerder werden gebruikt.
Waarom werd silicium de voorkeur boven germanium in transistors?
Silicium verdrong germanium als favoriet halfgeleidermateriaal in de middenjaren 1960 omdat het hogere temperaturen aankon, minder lekstroom had en beter werkte met oxide-isolatoren.
Wat is de Wet van Moore en waarom is deze belangrijk?
De Wet van Moore voorspelt dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt, wat de vooruitgang in rekenkracht en efficiëntie stimuleert.
Wat zijn FinFET- en GAA-technologieën?
FinFET en Gate-All-Around (GAA) zijn geavanceerde transistorarchitecturen die betere elektrische controle en minder lekstroom bieden, waardoor ze geschikt zijn voor kleinere chipafmetingen.
Wat zijn 2D-materialen en welke rol spelen zij in transistor technologie?
2D-materialen, zoals TMD's, bevatten dunne atomaire lagen die een betere elektronenbeweging toelaten, waardoor ze efficiëntievoordelen bieden ten opzichte van traditionele siliciumlagen voor toekomstige halfgeleiders.
Hoe draagt transistorinnovatie bij aan energie-efficiëntie?
Transistorinnovatie, inclusief ultra-lage-vermogen ontwerpen en energie-efficiënte materialen, vermindert het stroomverbruik aanzienlijk in IoT-apparaten, zonnentechnologie en slimme netwerken.