EN
Rýchle odkazy
Moderná elektronika sa skutočne rozbehla, keď tí traja muži z Bell Labs – William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain – v roku 1947 vytvorili bodový kontaktový tranzistor. Predtým všetko záviselo od tých veľkých vákuových lamp, ktoré spotrebovali veľa energie a mali tendenciu pokaziť sa. Nové polovodičové súčiastky, ktoré vyvinuli, boli oveľa menšie, spotrebovali výrazne menej elektriny a umožnili prudké zmenšenie veľkosti zariadení. O niekoľko rokov neskôr, v roku 1951, prišiel Shockley s jeho verziou nazývanou prechodový tranzistor, ktorý časom pracoval lepšie a urobil výrobu týchto súčiastok praktickou pre široké priemyselné použitie. Toto v podstate otvorilo priepustky pre všetky druhy elektronických inovácií, ktoré dnes považujeme za samozrejmosť.
Prvá transistory spoľahlivo používali germánium, pretože sa ukázal byť dosť dobrým polovodičovým materiálom. Vznikol však problém, keď teploty presiahli približne 75 stupňov Celzia, čo ich urobilo nespoľahlivými pre väčšinu priemyselných aplikácií. Okolo polovice 60. rokov sa situácia zmenila, keď začal kremík prevzdať úlohu preferovaného materiálu. Kremík vydržal oveľa vyššie teploty, mal menšiu únikovú prúdovosť a lepšie fungoval s oxidovými izolátormi, ktoré sa stávali štandardom v priemysle. Keď sa zlepšili metódy na rast kryštálov a pridávanie nečistôt prostredníctvom procesov legovania, výrobcovia začali konzistentne vyrábať kremíkové platne. Tento vývoj sa nakoniec stal veľmi dôležitým pre zmenšovanie a zvyšovanie výkonu polovodičov v priebehu času.
V roku 1958 prišli Jack Kilby z Texas Instruments a Robert Noyce z Fairchild Semiconductor s niečím dosť prelomovým: integrovaným obvodom. Toto malé technické zázrak umiestnilo všetky tieto samostatné elektronické súčiastky na jeden kúsok kremíka namiesto ich rozptýlenia po doske. Rýchlo sa dostávame do polovice 70. rokov, keď sa začala veľká integrácia, ktorá natlačila desiatky tisíc malých tranzistorov na každý čip. To presne zodpovedalo tomu, čo Gordon Moore predpovedal o tom, ako sa výpočtový výkon zdvojnásobí približne každé dva roky. V priebehu času sa vylepšenia v oblastiach ako fotolitografia a lepšie metódy výroby plochých čipov pevne ujali kremíku ako vládcovi digitálneho sveta. Tieto pokroky umožnili nielen bežné počítače, ale aj zariadenia ako smartfóny, servery prevádzkujúce webové stránky a dokonca aj časti moderných dátových centier, ktoré udržiavajú internet v chode.
Zákon Moorea v podstate hovorí, že počet tranzistorov na čipe sa približne každé dva roky zdvojnásobí, a práve to riadi pokrok v oblasti počítačov od doby, keď Gordon Moore urobil svoje slávne predpovede v roku 1965. Ak sa pozrieme na čísla, vidíme, že veľkosť tranzistorov klesla z približne 10 mikrometrov v 70. rokoch na menej ako 5 nanometrov v roku 2023, čo výrazne zvýšilo rýchlosť aj účinnosť týchto čipov. Existovala takzvaná Dennardova škálovacia metóda, ktorá udržiavala spotrebu energie stabilnú, keď sa tranzistory zmenšovali, ale táto metóda prestala fungovať približne od roku 2004 kvôli problémom s únikovými prúdmi a chladením. Podľa najnovšej Správy o škálovaní polovodičov z roku 2024 to viedlo priemysel k zmene stratégie – namiesto zvyšovania výkonu jednotlivých jadier sa teraz viac sústredí na použitie viacerých jadier, a výrobcovia sa radšej zamerali na paralelné spracovanie než na zvyšovanie taktovacích frekvencií.
Keď sa dostaneme na rozmery pod 5 nm, veci sa začnú stať veľmi zložité v dôsledku kvantového tunelovania a tých otravných parazitných kapacít. Elektróny už nepôsobia tak, ako sa očakáva, majú tendenciu prenikať priamo cez bariéry hradla prostredníctvom tunelovacích efektov. To spôsobuje rôzne únikové prúdy, ktoré môžu spotrebovať približne 30 % celkovej energie čipu, podľa výskumu Ponemana z minulého roku. A ešte sa to zhoršuje pri skratových kanálových efektoch, ktoré ovplyvňujú stabilitu prahového napätia. Podľa štúdií IEEE z roku 2022 odchýlky stúpajú približne o 15 % pri týchto miniatúrnych uzloch. Všetky tieto problémy sa navzájom nasýpajú a robia riadenie hustoty výkonu mimoriadne náročným. V dôsledku toho museli výrobcovia vynaložiť veľké investície do sofistikovaných chladiacich systémov, čo bežne pripočítava medzi 20 % a 40 % k celkovým výrobným nákladom týchto najmodernejších čipov.
Počet tranzistorov stále rastie, ale tradičné metódy zmenšovania už odborníkov veľmi neoslovujú. Podľa prieskumu IEEE z minulého roku si približne dve tretiny polovodičových inžinierov myslia, že Mooreov zákon v podstate narazil na stenu. Iba asi každý desiaty očakáva, že budeme mať čoskoro praktické kremíkové čipy s technológiou pod 1 nm. Väčšina spoločností teraz presúva svoj zámer na 3D čipové balenie a kombinovanie rôznych komponentov namiesto snahy o zmenšovanie všetkého do jedného celku. S ohľadom na najnovšie trendy sa zdá, že technologický svet už nevenuje takú pozornosť tomu, ako malé sú tranzistory, ale skôr tomu, ako efektívne pracujú celé systémy spolu. Toto predstavuje dosť významný posun v prístupe k tomu, čo sa považuje za skutočný pokrok vo vývoji polovodičov.
Prechod od plochých planárnych tranzistorov k tým sofistikovaným 3D štruktúram FinFET bol v podstate zásadnou zmenou pre lepšiu kontrolu elektriny. Kľúčom je obalenie hradla okolo malého zvislého kremíkového ploutevca, čo zníži nežiaduce uniky a umožní zmenšiť rozmery pod 22 nanometrov. Potom prišli tranzistory s nanopáskami, ktoré tento koncept ešte posunuli ďalej a umožnili inžinierom upraviť šírku vodivých kanálov v závislosti od potrebných napätí. Podľa toho, čo odhalil priemysel, tieto trojrozmerné návrhy dobre fungujú aj pri veľkostiach menších ako 3 nm, čo nebolo možné pri starších planárnych konštrukciách po dosiahnutí približne 28 nm, keď sa problémy s únikmi a plytvaním energiou úplne vymkli kontrole.
Návrh tranzistora Gate-all-around (GAA) posúva technológiu FinFET na ďalšiu úroveň tým, že obalí kanál úplne hradlovým materiálom zo všetkých smerov. Toto úplné pokrytie zabezpečuje oveľa lepšiu kontrolu elektrických vlastností a zníži nežiaduce pretekanie približne o 40 percent. Navyše tieto zariadenia prepínajú stavy rýchlejšie a dobre fungujú aj pri zmenšovaní pod hranicu 2 nm. Medzitým štruktúry Complementary FET (CFET) idú ešte ďalej tým, že zvisle navršia n-typový a p-typový tranzistory jeden na druhý. Toto šikovné usporiadanie zdvojnásobí počet logických komponentov, ktoré sa zmestia do rovnakého priestoru, bez potreby zväčšovať plochu čipu. Prístupy GAA aj CFET riešia vážne problémy, ktorým výrobcovia čelia pri riadení elektrostatických efektov a optimalizácii rozmiestnenia, keď sa polovodičové prvky zmenšujú na atómové rozmery.
Najväčšie polovodičové závody sa posúvajú bližšie k výrobným procesom pod 2 nm, hoci podľa súčasných prognóz by mohli tranzistory s hradlom okolo celého kanála (GAA) vojsť do masovej výroby približne v roku 2025. Väčšina priemyselných vývojových plánov sa teraz zameriava na dosiahnutie lepšieho výkonu pri nižšej spotrebe energie namiesto jednoduchého zabudovávania stále väčšieho počtu tranzistorov na čipy. Niektoré pilotné zariadenia už začali experimentovať s hybridnými spojovacími technikami na vytváranie tých pôsobivých monolitických 3D štruktúr, čo ukazuje, že spoločnosti uvažujú komplexnejšie o tom, ako fungujú celé systémy spoločne. Pomalé nasadzovanie týchto technológií zdôrazňuje, prečo také veľké sumy peňazí neustále prúdia do najmodernejších litografických zariadení a pokročilých depozitných systémov. Bez týchto drahých aktualizácií by sa celý priemysel veľmi rýchlo zasekol.
Monolitická 3D integrácia umožňuje výrobciam vytvoriť niekoľko aktívnych vrstiev na jednom substráte pomocou postupných výrobných techník. V kombinácii so stohovanou technológiou CMOS táto konfigurácia umožňuje integrovať logické obvody priamo vedľa pamäťových komponentov. Dnes už vidíme napríklad SRAM umiestnené priamo pod výpočtovými jadrami. Napriek tomu problémy ako tepelné otázky medzi vrstvami a prenos signálov z jednej vrstvy do druhej stále pretrvávajú. Avšak najnovšie pokroky v nízkoteplotných výrobných metódach spolu s vylepšenými cez-kremíkovými prechodmi (tie malé spoje prechádzajúce priamo cez kremíkové platne) naznačujú, že okolo roku 2026 by mohli prísť na trh skutočné produkty určené pre akcelerátory umelej inteligencie a zariadenia pre edge computing. Niektorí odborníci si myslia, že tento druh priestorového škálovania by mohol predlžiť platnosť Mooreovho zákona približne o ďalších desať rokov, než narazíme na ďalšiu stenu.
Materiály nazývané dichalkogenidy prechodných kovov, alebo skrátene TMD, zahŕňajú látky ako disulfid molybdénový (MoS2) a diselenid wolfrámový (WSe2). Tieto materiály sú na atómovej úrovni mimoriadne tenké a umožňujú elektrónom pohybovať sa cez ne dosť rýchlo. Pri skúmaní veľmi malých polovodičových štruktúr dokážu tieto TMD dosiahnuť pomer zapnutého a vypnutého prúdu vyšší ako 10 na 8 pri prevádzkovom napätí len 0,7 V. To je približne o 74 percent lepšie ako u kremíka, čo uvádza nedávne výskumy od IMEC z roku 2023. Spôsob, akým sú tieto materiály navrstvené do vrstiev, pomáha kontrolovať tie nepriaznivé krátké kanálové efekty, aj keď majú štruktúry veľkosť okolo 5 nanometrov. Vzhľadom na túto vlastnosť si mnohí výskumníci myslia, že TMD by mohli byť dôležitými stavebnými kameňmi pre počítačové čipy novej generácie a iné logické obvody v nadchádzajúcich rokoch.
Napriek ich potenciálu je široké prijatie TMD spomaľované hustotou chýb počas depozície na úrovni waferov. Epitaxia s výberom oblasti znížila zachytávacie stavy o 63 %, avšak pre výrobu vo veľkom rozsahu je nevyhnutná hustota chýb <3 % – tento štandard bol dosiahnutý doteraz len v laboratórnych podmienkach (Roadmap polovodičov 2024).
Tranzistory vyrobené z uhlíkových nanorúrok môžu presúvať elektróny priamočiaro bez rozptylu, keď majú dĺžku približne 15 nanometrov. To im poskytuje prepínacie rýchlosti takmer trojnásobne vyššie v porovnaní s tradičnou kremíkovou technológiou FinFET. Existuje však háčik. Výskumníci stále zápasia s kontrolou chirálnosti (ktorá určuje elektrické vlastnosti) a dosahovaním konzistentných výsledkov dopovania, čo komplikuje výrobu spoľahlivých zariadení v konzistentnej kvalite. Grafén predstavuje ďalší zaujímavý prípad. Napriek svojej vynikajúcej vodivosti nemá prirodzenú zakázanú pásmo, čo ho robí nevhodným pre štandardné digitálne obvody. Avšak prebieha sľubný výskum kombinácií grafénu a vrstiev hexagonálneho nitridu bóru. Tieto hybridné štruktúry by mohli nájsť špecifické uplatnenie v aplikáciách, kde by sa dali efektívne využiť ich jedinečné vlastnosti.
Snaženie o zavedenie 2D materiálov do bežnej výroby sa sústredilo okolo metód depozície atómových vrstiev, ktoré dobre fungujú s dielektrikami s vysokou permitivitou, ako je HZO. Nedávne údaje priemyselného združenia z roku 2024 ukazujú, že väčšina výrobných závodov už testuje vybavenie pre tieto materiály. Približne 8 z 10 výrobných línií má momentálne nejaké zariadenia nastavené na spracovanie 2D materiálov. Stále však existuje problém na konci výrobného procesu, kde je potrebné vytvoriť nové kovové spoje. Problém predstavuje citlivosť na teplo, keďže mnohé procesy nemôžu prekročiť teplotu 400 stupňov Celzia bez poškodenia komponentov. Toto obmedzenie teploty prinucuje inžinierov hľadať kreatívne riešenia na správne pripojenie týchto pokročilých materiálov bez ohrozenia ich výkonu.
Počet zariadení IoT by mal dosiahnuť približne 29 miliárd do roku 2030, čo znamená, že tranzistory musia v režime pohotovosti spotrebovať menej ako 1 mikroampér, aby sa zabezpečil efektívny prevádzkový chod. Nedávne výskumy ukázali, že obvody pracujúce v subprahovej oblasti spolu s tranzistormi s tunelovým efektom (TFET), o ktorých sme v poslednej dobe počuli, dokážu znížiť únikové prúdy takmer o 60 percent v porovnaní so štandardnou technológiou MOSFET. Čo to znamená pre reálne aplikácie? Umožňuje to systémom na monitorovanie životného prostredia alebo dokonca niektorým implantovateľným lekárskym zariadeniam pracovať roky na jedno nabitie a zároveň si udržať dostatočný výpočtový výkon na plnenie svojich úloh. Polovodičový priemysel tieto inovácie aktívne presadzuje, pretože si uvedomuje, aká dôležitá sa stáva dlhá životnosť batérií vo veľkom množstve rôznych oblastí.
Najnovšie tranzistory z karbidu kremíka (SiC) a nitridu galícia (GaN) dosahujú účinnosť približne 99,3 %, keď sa používajú v solárnych invertoroch, čo prispieva k zníženiu približne 2,1 milióna ton emisií CO2 každý rok vo všeobecnosti. Nedávne štúdie z energetických infraštruktúrnych správ uvádzajú, že tieto pokročilé spínacie komponenty od roku 2020 znížili straty energie približne o 40 % v aplikáciách inteligentných elektrických sietí. Výrobcovia sa teraz obracajú aj k technikám balenia na úrovni waferov. Tento prístup nielenže znižuje problematické rezistívne straty, ale dobre tiež spolupracuje s aktuálnym výrobným vybavením s priemerom 300 mm bez nutnosti rozsiahlych rekonštrukcií výrobných zariadení.
Neuromorfné čipy s použitím ferroelektrických FET (FeFET) dosahujú 1 000-krát lepšiu energetickú účinnosť na synaptickú operáciu v porovnaní s GPU – čo umožňuje efektívne nasadenie umelého inteligencie na okraji siete. Flexibilné organické tenké filmové tranzistory teraz dosahujú pohyblivosť až 20 cm²/V·s a vydržia 500 cyklov ohýbania, čo podporuje vývoj odolných a prateľných zdravotných monitorov.
Súčasné návrhy tranzistorov vyvažujú zapínací prúd (ION), rýchlosť prepínania, náklady a odolnosť na základe požiadaviek konkrétnej aplikácie. Tranzistory pre automobilový priemysel spoľahlivo pracujú pri teplote 175 °C, zatiaľ čo biomedicínske varianty spĺňajú prísne požiadavky na zlyhovanie menej ako 0,1 % počas životnosti 15 rokov. Tento prístup zameraný na konkrétnu aplikáciu zabezpečuje, že technologický pokrok sa premení na skutočnú spoľahlivosť a hodnotu v reálnom svete.
Aký bol hlavný prielom, ktorý uskutočnil Bell Labs v roku 1947?
V roku 1947 vynálezili vedci z Bell Labs tranzistor s bodovým kontaktom. To umožnilo, aby elektronické zariadenia boli oveľa menšie a efektívnejšie v porovnaní s predtým používanými elektrónkovými lampami.
Prečo sa kremík stal preferovaným materiálom oproti germániu v tranzistoroch?
Kremík nahradil germánium ako preferovaný polovodičový materiál v strede 60. rokov 20. storočia, pretože vydržal vyššie teploty, mal nižší únik a lepšie fungoval s oxidovými izolátormi.
Čo je Mooreov zákon a prečo je významný?
Mooreov zákon predpovedá, že počet tranzistorov na čipe sa približne každé dva roky zdvojnásobí, čím sa posúva výpočtový výkon a efektivita.
Čo sú technológie FinFET a GAA?
FinFET a Gate-All-Around (GAA) sú pokročilé architektúry tranzistorov, ktoré ponúkajú lepšiu elektrickú kontrolu a znížený únik, čo ich robí vhodnými pre menšie veľkosti čipov.
Čo sú 2D materiály a akú majú úlohu v technológii tranzistorov?
2D materiály, ako sú TMD, obsahujú tenké atómové vrstvy, ktoré umožňujú lepší pohyb elektrónov a ponúkajú potenciálne výhody z hľadiska účinnosti oproti tradičným kremíkovým vrstvám pre budúce polovodiče.
Ako prispieva inovácia tranzistorov k energetickej účinnosti?
Inovácie v oblasti tranzistorov, vrátane návrhov s extrémne nízkou spotrebou energie a energeticky účinných materiálov, výrazne znížili spotrebu energie v zariadeniach IoT, slnečnej technológii a inteligentných sieťach.