EN
Hurtiglenker
Moderne elektronikk tok virkelig av da de tre gutta på Bell Labs – William Shockley, John Bardeen og Walter Brattain – laget punktkontakt-transistoren tilbake i 1947. Før dette var alt avhengig av de sperrige vakuumrørene som brukte enorme mengder strøm og lett gikk i stykker. De nye halvleder-enhetene de utviklet var mye mindre, brukte langt mindre strøm og gjorde at elektronikken kunne krympes dramatisk i størrelse. Et par år senere, i 1951, kom Shockley med sin versjon kalt overgangstransistoren, som fungerte bedre over tid og gjorde det praktisk å produsere disse komponentene i stor skala for industriell bruk. Dette åpnet i praksis slussene for alle typer elektroniske innovasjoner vi i dag tar for gitt.
Det første transistorar stolte på germanium fordi det fungerte ganske godt som et halvledermateriale. Det var imidlertid et problem når temperaturene gikk over ca. 75 grader celsius, noe som gjorde dem upålitelige for de fleste industrielle anvendelser. Rundt midten av 1960-tallet begynte ting å endre seg da silisium gradvis tok over som det foretrukne materialet. Silisium tålte mye høyere temperaturer, lekket mindre strøm og fungerte bedre med de oksidisolatorene som ble standard i bransjen. Etter hvert som metodene for å dyrke krystaller og tilsette urenheter gjennom dopingprosesser ble forbedret, begynte produsenter å lage silisiumwafer på en mer konsistent måte. Denne utviklingen viste seg å være svært viktig for å kunne gjøre halvledere mindre og mer kraftfulle over tid.
Tilbake i 1958 kom Jack Kilby hos Texas Instruments og Robert Noyce fra Fairchild Semiconductor med noe ganske banebrytende: den integrerte kretsen. Dette lille underverket plasserte alle de separate elektroniske delene på ett stykke silisium, i stedet for at de var spredd rundt på en kretsplate. Rask framover til midten av 70-tallet da vi så omfattende integrasjon ta av, med titusenvis av små transistorer pakket på hver enkelt chip. Det stemte godt overens med det Gordon Moore hadde spådd tidligere, om at datamaskinkraften ville doble seg hvert par år. Etter hvert ble forbedringer innenfor teknikker som fotolitografi og bedre måter å lage flate kretser på avgjørende for at silisiums rolle som hersker i den digitale verden ble fastslått. Disse fremskrittene gjorde ikke bare våre daglige datamaskiner mulig, men også enheter som smarttelefoner, servere som driver nettsteder, og til og med deler av moderne datasentre som holder internett i gang.
Moores lov sier i bunn og kjernen at antallet transistorer på en krets omtrent dobles hvert annet år, og dette har styrt datamaskinutviklingen siden Gordon Moore kom med sin berømte prediksjon tilbake i 1965. Ser vi på tallene, ser vi at transistorstørrelsen gikk fra omtrent 10 mikrometer i størrelse på 70-tallet ned til mindre enn 5 nanometer i dag i 2023, noe som virkelig økte både hastigheten og effektiviteten til disse kretsene. Det fantes noe som het Dennard-skalering, som tidligere holdt strømforbruket stabilt mens transistorer ble mindre, men dette begynte å bryte sammen rundt 2004 på grunn av problemer med lekkstrømmer og varmehåndtering. Ifølge en nylig rapport om halvlederskalering fra 2024 førte alt dette til at industrien skiftet fokus mot bruk av flere kjerne i stedet for bare å gjøre énkernene raskere, så produsenter fokuserer nå mer på parallell databehandling fremfor å øke klokkehastighetene.
Når vi kommer ned til under-5nm-dimensjoner, begynner ting å bli veldig vanskelige på grunn av kvantetunneling og de irriterende parasittiske kapasitansene. Elektronene oppfører seg ikke lenger som forventet, de har en tendens til å smugge seg rett forbi gate-barrierene gjennom tunneleffekter. Dette skaper alle mulige lekkstrømmer som faktisk kan forbruke omtrent 30 % av den totale effekten i en chip, ifølge Ponemons forskning fra i fjor. Og det blir verre når man ser på korte kanaleffekter som forstyrrer hvor stabil terskelspenningen forblir. Avvik øker med omtrent 15 % ved disse mikroskopiske nivåene, som nevnt i IEEE-studier fra 2022. Alle disse problemene samler seg og gjør det ekstremt utfordrende å håndtere effekttetthet. Som et resultat har produsenter måttet investere kraftig i sofistikerte kjølesystemer, noe som typisk legger til mellom 20 % og 40 % på de totale produksjonskostnadene for disse høyteknologiske chipene.
Antallet transistorer fortsetter å øke, men de tradisjonelle skaleringmetodene får ikke lenger mye oppmerksomhet fra eksperter. Ifølge en IEEE-undersøkelse i fjor mener omtrent to tredjedeler av halvledningsteknikere at Moore's lov i praksis har nådd en grense. Bare omtrent hver tiende forventer at vi snart vil se praktiske silisiumchips under 1 nm. De fleste selskaper endrer fokus mot 3D-chip-stabling og kombinasjon av ulike komponenter, i stedet for å forsøke å krympe alt ned til én enkelt chip. Med tanke på nyere trender, ser det ut til at teknologiverdenen er mindre opptatt av hvor små transistorer kan bli, og mer opptatt av hvor godt hele systemer fungerer sammen. Dette markerer et betydelig skifte i hvordan vi tenker om hva som utgjør reel fremgang i halvledningsutvikling.
Å gå bort fra flate planære transistorer til de mer avanserte 3D FinFET-strukturene var i stor grad en game changer for bedre kontroll av elektrisitet. Trikset her er å omslutte gate hele veien rundt denne lille oppreiste silisiumfinnen, noe som reduserer uønsket lekkasje og gjør det mulig å minske størrelsen under 22 nanometer. Deretter kom nanosheet-transistorer som tok dette konseptet enda lenger, og tillot ingeniører å justere bredden på ledningskanalene basert på hvilke spenninger de må håndtere. Ut ifra hva industrien har funnet ut, fortsetter disse tredimensjonale designene å fungere godt ned mot størrelser under 3 nm, noe som ikke var realistisk med eldre planære design allerede ved rundt 28 nm ettersom problemene med lekkasje og sløsing med strøm ble fullstendig uoverkommelige.
Gate-all-around (GAA) transistordesign tar FinFET-teknologien til neste nivå ved å omslutte kanalen fullstendig med gate-materiale fra alle retninger. Denne fulle dekningen gir mye bedre kontroll over elektriske egenskaper og reduserer uønsket lekkasje med omtrent 40 prosent. I tillegg skifter disse enhetene tilstand raskere og fungerer godt når de skaleres ned under 2 nm-merket. Samtidig tar Complementary FET (CFET)-strukturer konseptet videre ved å stable n-type og p-type transistorer oppå hverandre i vertikal retning. Dette smarte oppsettet dobler antallet logikkkomponenter som kan plasseres på samme areal, uten å kreve mer plass på chip-overflaten. Både GAA og CFET løser alvorlige utfordringer produsenter står overfor når de må håndtere elektrostatiske effekter og optimalisere layouter ettersom halvlederkomponenter krymper ned til atomnivå.
De største halvlederfabrikkene nærmer seg produksjonsprosesser under 2 nm, selv om det ifølge nåværende prognoser kan hende at gate-all-around (GAA)-transistorer først kommer i masseproduksjon rundt 2025. De fleste industriveikart fokuserer nå på å oppnå bedre ytelse med mindre strømforbruk, i stedet for bare å pakke flere transistorer på chipsettene. Noen pilotanlegg har begynt å eksperimentere med hybridforbindelser for å lage de avanserte monolitiske 3D-strukturene, noe som viser at selskaper tenker mer helhetlig om hvordan hele systemer fungerer sammen. Den trege innføringen av disse teknologiene understreker hvorfor så mye penger fortsetter å strømme til nyeste litografiutstyr og avanserte avsetningssystemer. Uten disse kostbare oppgraderingene ville hele industrien stagnert ganske raskt.
Monolitisk 3D-integrasjon lar produsenter opprette flere aktive lag på ett substrat ved hjelp av sekvensielle produksjonsteknikker. Når denne teknologien kombineres med stablet CMOS-teknologi, blir det mulig å integrere logikkretser rett ved siden av minnokomponenter. Vi ser nå at SRAM for eksempel plasseres direkte under beregningskjerne. Termiske problemer mellom lagene og signaloverføring fra ett lag til et annet utgjør fortsatt utfordringer. Men nylige forbedringer i lave temperatur-produksjonsmetoder, samt bedre gjennom-silisium-forbindelser (de små forbindelsene som går rett gjennom silisiumwaferne), peker mot at faktiske produkter kan komme på markedet for AI-akseleratorer og edge-computing-enheter rundt 2026 kanskje? Noen eksperter mener at denne typen romlig skalering kan holde Moores lov i live i omtrent ti år til før vi møter en ny begrensning.
Materialer kalt overgangsmetall-dikalkogenider, eller TMD-er for kort, inkluderer stoffer som molybden-disulfid (MoS2) og wolfram-diselenid (WSe2). Disse materialene er ekstremt tynne på atomnivå og lar elektroner bevege seg gjennom dem ganske raskt. Når vi ser på veldig små halvlederkomponenter, kan disse TMD-ene oppnå strømforhold for av/på over 10 opphøyd i 8 når de opererer ved bare 0,7 volt. Det er faktisk omtrent 74 prosent bedre enn det silisium kan prestere, ifølge enkelte nyere forskningsresultater fra IMEC fra 2023. Den måten disse materialene er stablet i lag hjelper til med å kontrollere de irriterende korte kanaleffektene, selv når komponentene blir ned mot rundt 5 nanometer. På grunn av denne egenskapen tror mange forskere at TMD-er kan bli viktige byggesteiner for datamaskinkretser av neste generasjon og andre logiske enheter i årene som kommer.
Til tross for sitt potensial, hemmes omfattende bruk av TMD-er av defekttettheter under depositering i vaferskala. Selektiv områdevækst har redusert fangestater med 63 %, men en defekttetthet på under 3 % er fortsatt nødvendig for produksjon i stor skala – et mål som hittil bare er oppnådd i laboratoriemiljøer (2024 Semiconductor Roadmap).
Transistorer laget av karbonnanorør kan faktisk flytte elektroner i en rett linje uten spredning når de er omtrent 15 nanometer lange. Dette gir dem bytteregner som er nesten tre ganger raskere sammenlignet med tradisjonell silisium FinFET-teknologi. Men det finnes en hake. Forskere har fremdeles problemer med å kontrollere kiraliteten (som bestemmer de elektriske egenskapene) og oppnå konsekvent doping, noe som gjør det vanskelig å produsere pålitelige enheter jevnt og trutt. Graphen representerer et annet interessant tilfelle. Selv om det har fantastisk ledningsevne, mangler det et naturlig båndgap, noe som gjør det uegnet for standard digitale kretser. Noe lovende arbeid foregår imidlertid med kombinasjoner av graphen og sekskantede bor-nitrid-lag. Disse hybridstrukturene kan finne spesialiserte bruksområder i bestemte applikasjoner der deres unike egenskaper kan utnyttes effektivt.
Forsøk på å ta 2D-materialer i vanlig produksjon har fokusert på avsetningsmetoder i atomlag som fungerer godt med high-k-dielektrika som HZO. Nylige data fra en bransjegruppe i 2024 viser at de fleste fabrikasjonsanlegg allerede tester utstyr for disse materialene. Omtrent 8 av 10 produksjonslinjer har i dag en eller annen form for verktøyoppsett for behandling av 2D-materialer. Men det er fremdeles et problem i slutten av produksjonsprosessen der nye metallforbindelser må lages. Problemet er varmefølsomheten, siden mange prosesser ikke kan overstige 400 grader celsius uten å skade komponenter. Denne temperaturbegrensningen tvinger ingeniører til å finne kreative løsninger for å koble disse avanserte materialene riktig sammen uten å gå på kompromiss med ytelsen.
Antallet IoT-enheter forventes å nå rundt 29 milliarder innen 2030, noe som betyr at transistorer må forbruke mindre enn 1 mikroampere i hvilemodus for å holde drifta effektiv. Nyere forskning har vist at subthreshold-kretser sammen med tunnel-felteffekt-transistorer, som vi har hørt mye om på siste tid, kan redusere lekkstrømmer med nesten 60 prosent sammenlignet med standard MOSFET-teknologi. Hva betyr dette egentlig for praktiske anvendelser? Det gjør at overvåkningssystemer for miljøovervåking og til og med noen implantérbare medisinske enheter kan fungere i år med én opplading, samtidig som de beholder nok databehandlingskraft til å utføre oppgavene sine korrekt. Halvlederindustrien driver virkelig disse innovasjonene fremover, fordi de er klar over hvor kritisk lang levetid på batterier blir i så mange ulike felt.
De nyeste silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) transistorer oppnår omtrent 99,3 % virkningsgrad når de brukes i solomformere, noe som bidrar til å redusere CO2-utslipp med rundt 2,1 millioner tonn hvert år. Nylige studier fra energiinfrastruktur-rapporter viser at disse avanserte bryterkomponentene har redusert strømtap med omtrent 40 % i smartnett-applikasjoner siden tallene fra 2020 ble registrert. Produsenter vender seg nå også mot wafernivå-pakkingsteknikker. Denne tilnærmingen reduserer ikke bare de irriterende resistive tapene, men fungerer også godt med dagens 300 mm produksjonsutstyr uten å kreve omfattende ombygginger av produksjonsanlegg.
Neuromorfe kretser som bruker ferroelektriske FET-er (FeFET-er) oppnår 1 000 ganger bedre energieffektivitet per synaptisk operasjon enn GPU-er – noe som muliggjør effektiv AI-distribusjon ved nettverkskanten. Fleksible organiske tynnfilmstransistorer oppnår nå mobiliteter på 20 cm²/V·s og tåler 500 bøyesykluser, noe som støtter varige, vaskbare helsesensorer.
Moderne transistordesign balanserer ON-strøm (ION), brytehastighet, kostnad og holdbarhet basert på applikasjonsbehov. Transistorer for bilindustrien fungerer pålitelig ved 175 °C, mens biomedisinske varianter oppfyller strenge krav om 0,1 % sviktprosent over en levetid på 15 år. Denne applikasjonsspesifikke tilnærmingen sikrer at teknologiske fremskritt omdannes til reell pålitelighet og verdi i praksis.
Hva var den store gjennombruddet Bell Labs oppnådde i 1947?
I 1947 oppfantet forskere ved Bell Labs punktkontakt-transistoren. Dette gjorde det mulig for elektroniske enheter å bli mye mindre og mer effektive sammenlignet med vakuumrørene som ble brukt tidligere.
Hvorfor ble silisium det foretrukne materialet i stedet for germanium i transistorer?
Silisium erstattet germanium som foretrukket halvledermateriale på midten av 1960-tallet fordi det tåler høyere temperaturer, har mindre lekkasje og fungerer bedre med oksidisolatorer.
Hva er Moores lov og hvorfor er den betydningsfull?
Moores lov spår at antall transistorer på en chip vil fordoble seg omtrent hver andre år, noe som driver fremdrift i regnekraft og effektivitet.
Hva er FinFET- og GAA-teknologier?
FinFET og Gate-All-Around (GAA) er avanserte transistorkonstruksjoner som gir bedre elektrisk kontroll og redusert lekkasje, noe som gjør dem egnet for mindre chippstørrelser.
Hva er 2D-materialer og deres rolle i transistorteknologi?
2D-materialer, som TMD-er, inneholder tynne atomlag som tillater bedre elektronbevegelse og gir potensielle effektivitetsfordeler fremfor tradisjonelle silisiumlag for fremtidige halvledere.
Hvordan bidrar transistorteknologisk innovasjon til energieffektivitet?
Transistorteknologisk innovasjon, inkludert ultra-lavt strømforbruk og energieffektive materialer, reduserer betydelig strømforbruket i IoT-enheter, solteknologi og smarte strømnett.