EN
Snabblänkar
Modern elektronik tog riktigt fart när de tre männen på Bell Labs – William Shockley, John Bardeen och Walter Brattain – skapade punktkontakttransistorn redan 1947. Innan detta var allt beroende av de stora vakuumrören som förbrukade enorma mängder energi och var benägna att gå sönder. De nya halvledarkomponenter de utvecklade var mycket mindre, använde betydligt mindre el och gjorde att apparater kunde minska dramatiskt i storlek. Några år senare, 1951, kom Shockley med sin version kallad junction-transistorn, som fungerade bättre över tid och gjorde tillverkningen av dessa komponenter praktisk för omfattande användning i olika industrier. Detta öppnade i princip flodvågorna för alla typer av elektroniska innovationer som vi idag tar för givet.
Det första transistorer förlitade sig på germanium eftersom det fungerade ganska bra som halvledarmaterial. Det fanns dock ett problem när temperaturerna överskred cirka 75 grader Celsius, vilket gjorde dem opålitliga för de flesta industriella tillämpningar. Saker och ting förändrades kring mitten av 1960-talet när silicium började ta över som det föredragna materialet. Silicium klarade mycket högre temperaturer, läckte mindre ström och fungerade bättre med de oxidisolerande material som blev standard i branschen. När metoderna för att odla kristaller och tillsätta föroreningar genom dopningsprocesser förbättrades började tillverkare producera siliciumskivor på ett konsekvent sätt. Denna utveckling visade sig vara mycket viktig för att göra halvledare mindre och mer kraftfulla över tid.
Redan 1958 kom Jack Kilby på Texas Instruments och Robert Noyce från Fairchild Semiconductor på något ganska banbrytande: den integrerade kretsen. Detta lilla underverk placerade alla separata elektronikdelar på en enda kiselplatta istället för att ha dem utspridda på en kretsplatta. Snabbt fram till mitten av 70-talet såg vi hur storskalig integration tog fart, med tiotusentals små transistorer packade på varje krets. Det var precis i linje med det som Gordon Moore hade förutspått tidigare om hur datorns prestanda skulle fördubblas vartannat år. När tiden gick så fastställde förbättringar inom exempelvis fotolitografitekniker och bättre sätt att tillverka platta kretsar kisels roll som konung i den digitala världen. Dessa framsteg gjorde inte bara våra vanliga datorer möjliga utan också saker som smartphones, servrar som kör webbplatser och till och med delar av moderna datacenter som håller internet igång.
Moores lag innebär i grunden att antalet transistorer på en krets ungefär fördubblas vartannat år, och detta har styrt datorteknikens utveckling sedan Gordon Moore gjorde sin berömda prognos tillbaka år 1965. Om man ser på siffrorna har transistorstorleken minskat från cirka 10 mikrometer under 70-talet till mindre än 5 nanometer idag år 2023, vilket verkligen ökat både hastighet och energieffektivitet hos dessa kretsar. Det fanns något som hette Dennards skalning som tidigare höll effektförbrukningen stabil samtidigt som transistorerna blev mindre, men detta började brytas ner runt 2004 på grund av problem med läckströmmar och värmeavledning. Enligt en nyligen publicerad rapport om halvledarskalning från 2024 ledde allt detta till att industrin bytte strategi och istället började fokusera på flerkärniga processorer snarare än att bara göra enkärniga processorer snabbare, så tillverkarna fokuserar nu mer på parallellbearbetning istället för att försöka driva upp klockfrekvenserna.
När vi kommer ner till under 5 nm-dimensioner börjar det bli riktigt knepigt på grund av kvanttunneling och de irriterande parasitkapacitanserna. Elektronerna beter sig inte längre som förväntat, utan tenderar att smyga sig förbi grindbarriären genom tunnelverkan. Detta skapar alla typer av läckströmmar som faktiskt kan förbruka cirka 30 % av den totala effekten i en krets enligt Ponemons forskning från förra året. Och det blir värre när man tittar på kortkanalseffekter som stör hur stabil tröskelspänningen är. Variationer ökar med ungefär 15 % vid dessa minikopplare enligt IEEE:s studier från 2022. Alla dessa problem läggs ovanpå varandra och gör det extremt utmanande att hantera effekttätheten. Som ett resultat har tillverkare tvingats investera kraftigt i sofistikerade kylsystem, vilket vanligtvis lägger till mellan 20 % och 40 % på de totala tillverkningskostnaderna för dessa modernaste kretsar.
Antalet transistorer fortsätter att öka, men de gamla skalmetoderna får inte längre så mycket uppskattning från insider. Enligt en IEEE-undersökning förra året tror cirka två tredjedelar av halvledningstekniker att Moores lag i princip har slagit vägg. Endast ungefär var tionde förväntar sig att vi snart kommer se praktiska kiselchips under 1 nm. De flesta företag fokuserar nu istället på 3D-chipstackning och kombination av olika komponenter i stället för att försöka minska allt till en enda enhet. Om man ser på senaste trenderna verkar teknikvärlden bry sig mindre om hur små transistorer kan bli, och mer om hur väl hela system fungerar tillsammans. Detta markerar en ganska stor förskjutning i synen på vad som utgör verklig framsteg inom halvledarutveckling.
Att gå bort från platta planära transistorer till de mer avancerade tredimensionella FinFET-strukturerna var i stort sett en spelväxling när det gäller att styra elektricitet bättre. Knepet här är att omge kanalen runt hela den lilla vertikala kiselfinen, vilket minskar oönskad läckage och gör det möjligt att minska storleken under 22 nanometer. Sedan kom nanoskivtransistorer som tog detta koncept ännu längre, vilket gjorde att ingenjörer kunde justera hur breda de ledande kanalerna är beroende på vilka spänningar de behöver hantera. Om man ser på vad industrin har uppnått så fungerar dessa tredimensionella designerna fortfarande bra även vid storlekar under 3 nm, vilket inte var möjligt med äldre planära design när vi kom ner till cirka 28 nm eftersom problemen med läckage och slöseri med effekt helt urartade.
Gate-all-around (GAA)-transistordesignet tar FinFET-tekniken till nästa nivå genom att omsluta kanalen helt med gate-material från alla riktningar. Denna fullständiga täckning ger mycket bättre kontroll över de elektriska egenskaperna och minskar oönskad läckage med cirka 40 procent. Dessutom växlar dessa komponenter tillstånd snabbare och fungerar bra även när de skalas ner under 2 nm-gränsen. Samtidigt tar Complementary FET (CFET)-strukturer tekniken ytterligare genom att stapla n-typ- och p-typ-transistorer ovanpå varandra i vertikal riktning. Denna smarta anordning dubblar antalet logikkomponenter som får plats i samma yta utan att behöva mer utrymme på chipytan. Både GAA och CFET adresserar allvarliga utmaningar som tillverkare står inför när de försöker hantera elektrostatiska effekter och optimera layouter när halvledarkomponenter krymper ner till atomära dimensioner.
De främsta halvledarfabrikerna närmar sig tillverkningsprocesser under 2 nm, även om det enligt nuvarande prognoser kan ta till cirka 2025 innan gate-all-around-transistorer (GAA) når massproduktion. De flesta branschplaner fokuserar nu på att öka prestanda samtidigt som energiförbrukningen minskar, i stället för att bara packa in fler transistorer på kretsarna. Vissa pilotanläggningar har börjat experimentera med hybridbindningstekniker för att skapa de avancerade monolitiska 3D-strukturerna, vilket visar att företag tänker i större sammanhang när det gäller hur hela system fungerar tillsammans. Den långsamma introduktionen av dessa teknologier förklarar varför så mycket pengar fortsättningsvis flödar till skärpta litografisk utrustning och avancerade avgasningssystem. Utan dessa dyra uppgraderingar skulle hela branschen snabbt komma till ett stopp.
Monolitisk 3D-integration gör att tillverkare kan skapa flera aktiva lager på en och samma substrat med hjälp av sekventiella tillverkningstekniker. När detta kombineras med staplad CMOS-teknik blir det möjligt att integrera logikkretsar direkt bredvid minneskomponenter. Vi ser nu exempel där SRAM placeras direkt under beräkningskärnor. Termiska problem mellan lager och signalöverföring från ett lager till ett annat utgör fortfarande utmaningar. Men de senaste förbättringarna inom lågtemperaturtillverkning tillsammans med bättre genomgående anslutningar i silicium (de små vertikala förbindelserna rakt genom siliciumskivor) pekar mot att faktiska produkter kan nå marknaden för AI-acceleratorer och gränsberäkningsenheter runt år 2026? Vissa experter tror att denna typ av rumslig skalning kanske kan hålla Moores lag vid liv i ungefär tio år till innan vi slår emot en ny vägg.
Materialer som kallas övergångsmetall-dikalkogenider, eller TMD förkortat, inkluderar saker som molubden disulfid (MoS2) och volframdiselenid (WSe2). Dessa material är extremt tunna på atomnivå och låter elektroner röra sig genom dem ganska snabbt. När vi tittar på väldigt små halvledarkomponenter kan dessa TMD uppnå förhållanden mellan på- och av-ström över 10 upphöjt till 8 vid drift med endast 0,7 volt. Det är faktiskt ungefär 74 procent bättre än vad silikon kan prestera enligt viss ny forskning från IMEC år 2023. Sättet som dessa material staplas i lager hjälper till att kontrollera de irriterande kortkanalseffekterna även när komponenterna blir ner till cirka 5 nanometer. På grund av denna egenskap tror många forskare att TMD kan bli viktiga byggstenar för nästa generations datorchip och andra logikkomponenter i framtiden.
Trots sin potential hindras spridd användning av TMD:er av defekttätheter vid deponering i skivskala. Selektiv områdesepitaxi har minskat fångsttillstånd med 63 %, men en defekttäthet på under 3 % krävs fortfarande för tillverkning i stor skala – en nivå som hittills endast uppnåtts i laboratoriemiljöer (2024 Semiconductor Roadmap).
Transistorer tillverkade av kolnanorör kan faktiskt föra elektroner i en rät linje utan spridning när de är cirka 15 nanometer långa. Detta ger dem switchhastigheter som är nästan tre gånger snabbare jämfört med traditionell kiselbaserad FinFET-teknik. Men det finns ett problem. Forskare har fortfarande svårt att kontrollera kiraliteten (som avgör de elektriska egenskaperna) och uppnå konsekventa resultat vid dopning, vilket gör det svårt att tillverka pålitliga komponenter på ett konsekvent sätt. Grafen utgör ett annat intressant fall. Även om det har enastående ledningsförmåga saknar det ett naturligt bandgap, vilket gör det olämpligt för vanliga digitala kretsar. Det pågår dock lovande forskning med kombinationer av grafen och lager av hexagonalt bor-nitrid. Dessa hybrida strukturer kan hitta specifika tillämpningar där deras unika egenskaper kan utnyttjas effektivt.
Påtryckningen att ta 2D-material i vanlig tillverkning har fokuserat på avsättning med atomlager som fungerar bra med hög-k dielektrika såsom HZO. Senaste data från en branschgrupp från 2024 visar att de flesta tillverkningsanläggningar redan testar utrustning för dessa material. Ungefär 8 av 10 produktionslinjer har idag någon form av utrustning för bearbetning av 2D-material. Men det finns fortfarande ett problem i slutet av produktionsprocessen där nya metallkopplingar behöver skapas. Problemet är värmekänslighet eftersom många processer inte kan överstiga 400 grader Celsius utan att skada komponenter. Denna temperaturbegränsning tvingar ingenjörer att hitta kreativa lösningar för att ansluta dessa avancerade material korrekt utan att försämra prestanda.
Antalet IoT-enheter förväntas uppgå till cirka 29 miljarder år 2030, vilket innebär att transistorer måste förbruka mindre än 1 mikroampere i vänteläge för att behålla effektiv drift. Nyare forskning har visat att subthreshold-kretsar tillsammans med de tunnelfälteffekttransistorer vi hört talas om på sistone kan minska läckströmmar med närmare 60 procent jämfört med standard MOSFET-teknik. Vad betyder detta egentligen för praktiska tillämpningar? Det gör att system för miljöövervakning och även vissa inplanterade medicinska enheter kan fungera i åratal på en enda laddning samtidigt som de bibehåller tillräcklig databehandlingskapacitet för att utföra sitt arbete korrekt. Halvledarindustrin driver verkligen fram dessa innovationer eftersom man är medveten om hur kritiskt viktiga långlivade batterier blir inom allt fler områden.
De senaste kiselskarbiddioderna (SiC) och galliumnitridtransistorerna (GaN) uppnår ungefär 99,3 % verkningsgrad när de används i solvändare, vilket bidrar till att minska koldioxidutsläppen med cirka 2,1 miljoner ton per år totalt. Nyligen publicerade studier från energiinfrastrukturrapporter visar att dessa avancerade switchkomponenter har minskat effektförlusterna med ungefär 40 % i smarta nätverksapplikationer jämfört med siffrorna från 2020. Tillverkare vänder sig nu även till wafer-nivå förpackningstekniker. Denna metod minskar inte bara de irriterande resistiva förlusterna utan fungerar också bra med befintlig 300 mm tillverkningsutrustning utan att kräva omfattande omarbetningar av produktionsanläggningar.
Neuromorfa kretsar som använder ferroelektriska FET:ar (FeFET) uppnår upp till 1 000 gånger bättre energieffektivitet per synaptisk operation jämfört med GPU:er – vilket möjliggör effektiv AI-distribution vid nätverkskanten. Flexibla organiska tunnfilmstransistorer når idag en mobilitet på 20 cm²/V·s och tål 500 böjningscykler, vilket stödjer slitstarka och tvättbara hälsoövervakningsenheter.
Modern transistordesign balanserar genomströmning (ION), switchhastighet, kostnad och hållbarhet utifrån behov i specifika tillämpningar. Transistorer för bilindustrin fungerar tillförlitligt vid 175 °C, medan biomedicala varianter uppfyller stränga krav på mindre än 0,1 % felfrekvens under en livslängd på 15 år. Denna tillämpningsspecifika strategi säkerställer att tekniska framsteg omvandlas till pålitlighet och värde i praktiken.
Vad var den stora genombrottet som Bell Labs gjorde 1947?
År 1947 uppfann forskare vid Bell Labs punktkontaktstransistorn. Detta gjorde att elektroniska enheter kunde bli mycket mindre och mer effektiva jämfört med de vakuumrör som tidigare använts.
Varför blev silicium det föredragna materialet framför germanium i transistorer?
Silicium ersatte germanium som det föredragna halvledarmaterialet på mitten av 1960-talet eftersom det tål högre temperaturer, har mindre läckage och fungerar bättre med oxidisolatorer.
Vad är Moores lag och varför är den betydelsefull?
Moores lag förutsäger att antalet transistorer på en krets kommer att fördubblas ungefär vartannat år, vilket driver framsteg inom beräkningskraft och effektivitet.
Vad är FinFET och GAA-teknologier?
FinFET och Gate-All-Around (GAA) är avancerade transistorarkitekturer som erbjuder förbättrad elektrisk styrning och minskat läckage, vilket gör dem lämpliga för mindre kretsstorlekar.
Vad är tvådimensionella material och deras roll i transistorteknologi?
2D-material, såsom TMD:er, innehåller tunna atomlager som möjliggör bättre elektronrörelse, vilket ger potentiella effektivitetsfördelar jämfört med traditionella siliciumlager för framtida halvledare.
Hur bidrar transistorinnovation till energieffektivitet?
Transistorinnovation, inklusive design med extremt låg effektförbrukning och energieffektiva material, minskar kraftigt effektförbrukningen i IoT-enheter, solteknik och smarta nät.