EN
Linkuri rapide
Electronica modernă a luat cu adevărat avânt atunci când cei trei bărbați de la Bell Labs — William Shockley, John Bardeen și Walter Brattain — au creat tranzistorul cu contact punctiform în 1947. Înainte de acest moment, totul se baza pe acele tuburi electronice voluminoase care consumau enorm de multă energie și erau predispuse la defectare. Dispozitivele semiconductoare noi pe care le-au dezvoltat erau mult mai mici, consumau mult mai puțină electricitate și permiteau ca dispozitivele să se micșoreze dramatic ca dimensiune. Câteva ani mai târziu, în 1951, Shockley a conceput versiunea sa numită tranzistorul cu joncțiune, care funcționa mai bine în timp și a făcut fabricarea acestor componente practică pentru utilizare generalizată în diverse industrii. Acest lucru a deschis practic porțile pentru toate tipurile de inovații electronice pe care astăzi le considerăm normale.
Primul transistori au depins de germaniu deoarece acesta funcționa destul de bine ca material semiconductor. Totuși, apărea o problemă atunci când temperaturile depășeau aproximativ 75 de grade Celsius, ceea ce le făcea nesigure pentru majoritatea aplicațiilor industriale. Lucrurile s-au schimbat în jurul anului 1960, când siliciul a început să preia rolul de material principal. Siliciul putea suporta temperaturi mult mai ridicate, avea un curent de scurgere mai redus și lucra mai bine cu izolatorii pe bază de oxizi care deveneau standard în industrie. Pe măsură ce metodele de creștere a cristalelor și de adăugare a impurităților prin procese de dopare s-au îmbunătățit, producătorii au început să fabrice plăci de siliciu în mod constant. Această evoluție s-a dovedit esențială pentru micșorarea dimensiunilor semiconductoarelor și pentru creșterea puterii lor în timp.
În 1958, Jack Kilby de la Texas Instruments și Robert Noyce de la Fairchild Semiconductor au conceput ceva revoluționar: circuitul integrat. Această mică minune a adus toate acele componente electronice separate pe o singură bucată de siliciu, în loc să fie răspândite pe o placă. Spre mijlocul anilor '70, integrarea la scară largă a luat avânt, înglobând zeci de mii de tranzistoare miniaturale pe fiecare cip. Acest progres era în linie cu ceea ce Gordon Moore prezisese atunci despre cum puterea calculatoarelor s-ar dubla la fiecare doi ani. Pe măsură ce timpul a trecut, îmbunătățirile tehnicii de fotolitografie și metodele mai bune de fabricare a cipurilor plate au consolidat rolul siliciului ca stăpân al lumii digitale. Aceste evoluții au făcut posibile nu doar calculatoarele noastre de zi cu zi, ci și dispozitive precum smartphone-urile, serverele care rulează site-uri web și chiar părți ale centrelor moderne de date care mențin internetul în funcțiune.
Legea lui Moore afirmă în esență că numărul de tranzistori de pe un cip se dublează aproximativ la fiecare doi ani, iar acest lucru a condus progresul informatic încă din momentul în care Gordon Moore a făcut faimoasa sa predicție în 1965. Analizând cifrele, observăm că dimensiunea tranzistorilor a scăzut de la aproximativ 10 micrometri în anii '70 la mai puțin de 5 nanometri în prezent, în 2023, ceea ce a sporit semnificativ atât viteza, cât și eficiența energetică a acestor cipuri. A existat un fenomen numit scalarea Dennard, care menținea consumul de energie stabil pe măsură ce tranzistorii deveneau mai mici, dar aceasta a început să colapeze în jurul anului 2004 din cauza problemelor legate de curenții de scurgere și gestionarea căldurii. Conform unui raport recent privind scalarea semiconductorilor din 2024, toate acestea au determinat industria să schimbe direcția, trecând la utilizarea mai multor nuclee în loc să facă doar nucleele individuale mai rapide; astfel, producătorii se concentrează acum mai mult pe procesarea paralelă decât pe creșterea frecvenței de ceas.
Când ajungem la dimensiuni sub 5nm, lucrurile încep să devină foarte complicate din cauza efectului de tunel cuantic și a capacităților parazite deranjante. Electronii nu mai au un comportament conform așteptărilor, tind să treacă pur și simplu prin barierele porții datorită efectelor de tunelare. Acest lucru creează tot felul de curenți de scurgere care pot consuma aproximativ 30% din puterea totală a unui cip, conform cercetării Ponemon din anul trecut. Situația se agravează atunci când luăm în considerare efectele canalului scurt, care perturbă stabilitatea tensiunii de prag. Variațiile cresc cu aproximativ 15% la aceste noduri extrem de mici, așa cum au observat studiile IEEE din 2022. Toate aceste probleme se acumulează și fac gestionarea densității de putere extrem de dificilă. Ca urmare, producătorii au fost nevoiți să investească masiv în sisteme rafinate de răcire, ceea ce adaugă în mod tipic între 20% și 40% la costurile totale de fabricație pentru aceste cipuri de ultimă generație.
Numărul tranzistorilor continuă să crească, dar metodele tradiționale de scalare nu mai sunt prea apreciate de experții din domeniu. Conform unui sondaj IEEE din anul trecut, aproximativ două treimi dintre inginerii specializați în semiconductori consideră că legea lui Moore a atins practic un perete. Doar circa una din zece se așteaptă ca în curând să vedem cipuri practice din siliciu sub 1 nm. Majoritatea companiilor își reorientează atenția spre stivuirea tridimensională a cipurilor și integrarea diferitelor componente, în loc să încerce să micșoreze totul într-un singur bloc. Analizând tendințele recente, se pare că lumea tehnologică acordă din ce în ce mai puțină importanță dimensiunii tranzistorilor și din ce în ce mai multă eficienței cu care funcționează întregul sistem. Aceasta marchează o schimbare destul de importantă în modul de a defini progresul real în dezvoltarea semiconductorilor.
Trecerea de la tranzistoarele planare plate la acele structuri 3D FinFET a fost un real factor de schimbare în ceea ce privește controlul mai bun al electricității. Ideea este să învelești poarta complet în jurul acelei mici lame de siliciu așezate vertical, ceea ce reduce scurgerile nedorite și face posibilă micșorarea dimensiunilor sub 22 nanometri. Apoi au apărut tranzistoarele cu nanofoli care au dus acest concept și mai departe, permițând inginerilor să ajusteze lățimea canalelor conductive în funcție de tensiunile pe care trebuie să le gestioneze. Analizând ceea ce a constatat industria, aceste designuri tridimensionale continuă să funcționeze bine chiar și la dimensiuni mai mici de 3 nm, lucru care nu a fost deloc fezabil cu vechile designuri planare odată ce s-a ajuns la aproximativ 28 nm, deoarece problemele legate de scurgeri și consumul excesiv de energie au devenit complet necontrolabile.
Designul tranzistorului Gate-all-around (GAA) duce tehnologia FinFET la următorul nivel, învelind complet canalul cu material de poartă din toate direcțiile. Această acoperire totală oferă un control mult mai bun asupra proprietăților electrice și reduce scurgerile nedorite cu aproximativ 40 la sută. În plus, aceste dispozitive își schimbă starea mai rapid și funcționează eficient chiar și atunci când sunt reduse la dimensiuni sub 2 nm. Între timp, structurile Complementary FET (CFET) merg mai departe, stivuind tranzistoarele de tip n și de tip p unul deasupra celuilalt în mod vertical. Această aranjare inteligentă dublează numărul componentelor logice care pot fi plasate în același spațiu, fără a necesita o suprafață suplimentară pe cip. Ambele abordări, GAA și CFET, rezolvă probleme majore cu care se confruntă producătorii în gestionarea efectelor electrostatice și optimizarea configurațiilor pe măsură ce dimensiunile componentelor semiconductoare se reduc la nivel atomic.
Principalele uzine de semiconductor se apropie tot mai mult de procesele de fabricație sub-2nm, deși ar putea vedea tranzistori cu poartă în jurul canalului (GAA) ajungând în producția de masă undeva pe la 2025 conform proiecțiilor actuale. Majoritatea planurilor industriale se concentrează acum pe obținerea unei performanțe mai bune utilizând mai puțină energie, în loc să se limiteze doar la împachetarea unui număr tot mai mare de tranzistori pe cipuri. Unele facilități pilot au început să experimenteze tehnici de legare hibridă pentru crearea acelor structuri 3D monolitice sofisticate, ceea ce arată că companiile gândesc mai strategic despre modul în care întregul sistem funcționează împreună. Lansarea lentă a acestor tehnologii subliniază motivul pentru care atât de mulți bani continuă să fie investiți în echipamente de litografie de ultimă generație și sisteme avansate de depunere. Fără aceste actualizări costisitoare, întreaga industrie s-ar bloca destul de rapid.
Integrarea monolitică 3D permite producătorilor să creeze mai multe straturi active pe un singur suport folosind tehnici de fabricație secvențială. Atunci când este combinată cu tehnologia CMOS în strat, această configurație face posibilă integrarea circuitelor logice chiar lângă componentele de memorie. Acum vedem lucruri precum SRAM plasat direct sub nucleele de calcul. Totuși, problemele termice dintre straturi și transmiterea semnalelor de la un strat la altul încă ridică dificultăți. Dar îmbunătățirile recente ale metodelor de fabricație la temperatură scăzută, alături de interconexiuni mai bune prin siliciu (aceste conexiuni minuscule care trec direct prin plăcile de siliciu), indică faptul că produse reale ar putea ajunge pe piață pentru acceleratoare AI și dispozitive de calcul la margine cam în jurul anului 2026? Unii experți consideră că acest tip de scalare spațială ar putea menține Legea lui Moore în vigoare pentru încă aproximativ zece ani, înainte de a întâlni un nou perete.
Materialele numite dichalcogenide ale metalelor de tranziție, sau TMDs pentru scurt, includ substanțe precum disulfura de molibden (MoS2) și diselenida de wolfram (WSe2). Aceste materiale sunt extrem de subțiri la nivel atomic și permit electronilor să se deplaseze prin ele destul de rapid. Atunci când analizăm caracteristici semiconductoare foarte mici, aceste TMDs pot atinge rapoarte curent pornit/oprit mai mari de 10 la puterea 8, atunci când funcționează la doar 0,7 volți. Acest lucru este de fapt cu aproximativ 74 la sută mai bun decât ceea ce poate face siliciul, conform unor cercetări recente realizate de IMEC în 2023. Modul în care aceste materiale se suprapun în straturi ajută la controlul efectelor perturbatoare ale canalelor scurte, chiar și atunci când dimensiunile ajung la aproximativ 5 nanometri. Din cauza acestei proprietăți, mulți cercetători consideră că TMD-urile ar putea deveni blocuri de construcție importante pentru cipurile computerelor de generație următoare și pentru alte dispozitive logice în anii următori.
În ciuda potențialului lor, adoptarea pe scară largă a TMD-urilor este împiedicată de densitatea defectelor în timpul depunerii la scară wafer. Epitaxia prin zonă selectivă a redus stările capcană cu 63%, dar o densitate a defectelor sub 3% rămâne necesară pentru fabricarea în volum mare — un reper atins până acum doar în medii de laborator (Roadmapul Semiconductor 2024).
Tranzistorii realizați din nanotuburi de carbon pot deplasa electronii în linie dreaptă fără împrăștiere atunci când au aproximativ 15 nanometri lungime. Acest lucru le conferă viteze de comutare aproape de trei ori mai mari în comparație cu tehnologia siliconică tradițională FinFET. Există însă o problemă. Cercetătorii întâmpină încă dificultăți în controlul chiralității (care determină proprietățile electrice) și obținerea unor rezultate consistente la dopare, ceea ce face dificilă producerea uniformă a dispozitivelor fiabile. Grafenul reprezintă un alt caz interesant. Deși are o conductivitate remarcabilă, nu posedă o bandă interzisă naturală, ceea ce îl face nepotrivit pentru circuitele digitale standard. Totuși, se desfășoară unele cercetări promițătoare cu combinații de straturi de grafen și azotură hexagonală de bor. Aceste structuri hibride ar putea găsi aplicații de nișă în anumite domenii unde caracteristicile lor unice ar putea fi valorificate eficient.
Efortul de a aduce materialele 2D în producția de rutină s-a concentrat asupra metodelor de depunere strat cu strat care funcționează bine cu dielectrici cu constantă dielectrică ridicată, cum ar fi HZO. Date recente din 2024 ale unui grup industrial arată că majoritatea fabricilor de semiconductor testează deja echipamente pentru aceste materiale. În jur de 8 din 10 linii au acum un fel de instalație pentru procesarea materialelor 2D. Totuși, există încă o problemă la finalul procesului de producție, unde trebuie realizate noi conexiuni metalice. Problema constă în sensibilitatea la căldură, deoarece multe procese nu pot depăși 400 de grade Celsius fără a deteriora componentele. Această limitare termică obligă inginerii să găsească soluții creative pentru conectarea corectă a acestor materiale avansate, fără a compromite performanța.
Se preconizează ca numărul dispozitivelor IoT să atingă aproximativ 29 de miliarde până în 2030, ceea ce înseamnă că tranzistoarele trebuie să consume mai puțin de 1 microamp în modul de repaus pentru a menține o funcționare eficientă. Cercetările recente au arătat că circuitele subprag împreună cu tranzistoarele cu efect de câmp prin tunel despre care am auzit în ultima vreme pot reduce curenții de scurgere cu aproape 60 la sută în comparație cu tehnologia standard MOSFET. Ce înseamnă acest lucru în aplicații reale? Ei bine, permite sistemelor de monitorizare a mediului și chiar unor dispozitive medicale implantabile să funcționeze ani întregi pe o singură încărcare, păstrând totodată suficientă putere de procesare pentru a-și îndeplini corect sarcinile. Industria semiconductorilor promovează activ aceste inovații, conștientizând cât de critice devin bateriile cu durată lungă de viață într-o mulțime de domenii diferite.
Cele mai recente tranzistoare din carbura de siliciu (SiC) și nitrid de galium (GaN) ating o eficiență de aproximativ 99,3% atunci când sunt utilizate în invertorii solari, ceea ce ajută la reducerea cu circa 2,1 milioane de tone a emisiilor de CO2 anual, în general. Studii recente din rapoarte privind infrastructura energetică arată că aceste componente avansate de comutare au redus pierderile de putere cu aproximativ 40% în aplicațiile rețelelor inteligente, față de cifrele înregistrate în 2020. Producătorii apelează acum și la tehnici de ambalare la nivel de wafer. Această abordare nu doar reduce pierderile rezistive nedorite, dar se integrează și bine cu echipamentele actuale de fabricație de 300 mm, fără a necesita modificări majore ale instalațiilor de producție.
Cipurile neuromorfice care folosesc tranzistoare cu efect de câmp ferroelectrice (FeFET) ating o eficiență energetică de 1.000 de ori mai bună per operație sinaptică în comparație cu GPU-urile, permițând o implementare eficientă a inteligenței artificiale la marginea rețelei. Tranzistorii organici flexibili cu film subțire ating acum mobilități de 20 cm²/V·s și rezistă la 500 de cicluri de îndoire, susținând monitoare medicale durabile și lavabile.
Proiectarea modernă a tranzistoarelor echilibrează curentul în starea ON (ION), viteza de comutare, costul și durabilitatea în funcție de necesitățile aplicației. Tranzistoarele pentru autovehicule funcționează fiabil la 175°C, în timp ce variantele medicale respectă cerințe stricte privind rata de defectare de 0,1% pe parcursul unei durate de viață de 15 ani. Această abordare specifică aplicației asigură faptul că progresele tehnologice se traduc în fiabilitate și valoare în lumea reală.
Care a fost descoperirea majoră realizată de Bell Labs în 1947?
În 1947, oamenii de știință de la Bell Labs au inventat tranzistorul cu contact punctiform. Acest lucru a permis ca dispozitivele electronice să devină mult mai mici și mai eficiente în comparație cu tuburile cu vid utilizate anterior.
De ce siliciul a devenit materialul preferat față de germaniu în tranzistoare?
Siliciul a înlocuit germaniul ca material semiconductor preferat în mijlocul anilor 1960, deoarece putea suporta temperaturi mai ridicate, avea un curent de scurgere mai mic și funcționa mai bine cu izolatorii oxizi.
Ce este Legea lui Moore și de ce este importantă?
Legea lui Moore prevede că numărul de tranzistoare de pe un cip se va dubla aproximativ la fiecare doi ani, stimulând progresele în puterea de calcul și eficiență.
Ce sunt tehnologiile FinFET și GAA?
FinFET și Gate-All-Around (GAA) sunt arhitecturi avansate de tranzistoare care oferă un control electric îmbunătățit și o scurgere redusă, făcându-le potrivite pentru dimensiuni mai mici ale cipurilor.
Ce sunt materialele 2D și care este rolul lor în tehnologia tranzistoarelor?
materialele 2D, cum ar fi TMD-urile, conțin straturi atomice subțiri care permit o mișcare mai bună a electronilor, oferind beneficii potențiale de eficiență în comparație cu straturile tradiționale de siliciu pentru semiconductoarele viitoare.
Cum contribuie inovația în ceea ce privește tranzistoarele la eficiența energetică?
Inovația în domeniul tranzistoarelor, inclusiv designuri cu consum extrem de scăzut de energie și materiale eficiente din punct de vedere energetic, reduce semnificativ consumul de putere în dispozitivele IoT, tehnologia solară și rețelele inteligente.