EN
Mabilis na Mga Link
Talagang sumigla ang modernong elektronika nang imbentuhin ng tatlong lalaki sa Bell Labs—sina William Shockley, John Bardeen, at Walter Brattain—ang point contact transistor noong 1947. Bago ito, lahat ay umaasa pa sa mga nakapapagod na vacuum tube na kumakain ng maraming kuryente at madaling masira. Ang mga bagong semiconductor device na kanilang nilikha ay mas maliit, gumagamit ng mas kaunting kuryente, at nagbigay-daan upang mapaliit nang malaki ang sukat ng mga gadget. Ilan lamang taon matapos, noong 1951, si Shockley naman ang lumikha ng kanyang bersyon na tinatawag na junction transistor na mas matatag sa paglipas ng panahon at nagawang praktikal ang produksyon ng mga bahaging ito para sa malawakang gamit sa iba't ibang industriya. Ito mismo ang nagbukas ng daan para sa lahat ng uri ng elektronikong inobasyon na ngayon ay karaniwan na lang sa atin.
Ang una mga transistor umaasa sa germanium dahil ito ay gumagana nang maayos bilang isang materyal na semiconductor. Gayunpaman, may problema kapag ang temperatura ay umabot na higit sa humigit-kumulang 75 degree Celsius, na nagdulot ng kawalan ng pagkakatiwalaan para sa karamihan ng mga industriyal na aplikasyon. Nagbago ang mga bagay noong kalagitnaan ng 1960s nang unti-unting naging pangunahing materyales ang silicon. Ang silicon ay mas nakapagtagal sa mas mataas na temperatura, mas kaunti ang pagtagas ng kuryente, at mas mahusay ang pakikipag-ugnayan sa mga insulator na oksido na naging pamantayan sa industriya. Habang umuunlad ang mga pamamaraan sa paglaki ng mga kristal at sa pagsasama ng mga impurities sa pamamagitan ng doping process, ang mga tagagawa ay nagsimulang mag-produce ng mga silicon wafer nang mas pare-pareho. Ang ganitong pag-unlad ay naging napakahalaga upang mapaliit at mapalakas ang mga semiconductor sa paglipas ng panahon.
Noong 1958, sina Jack Kilby sa Texas Instruments at Robert Noyce mula sa Fairchild Semiconductor ang lumikha ng isang napakalaking pagbabago: ang integrated circuit. Ang maliit na himala na ito ay naglalagay ng lahat ng magkahiwalay na bahagi ng elektroniko sa isang pirasong silicon imbes na nakakalat sa isang board. Aba nang gitna ng 70s nang umunlad ang large scale integration, na naglalagay ng mga sampung libo pang maliit na transistor sa bawat chip. Tama ito sa hula ni Gordon Moore noong panahong iyon tungkol sa kakayahan ng kompyuter na tumataas nang dalawahin tuwing ilang taon. Habang lumilipas ang panahon, ang mga pagpapabuti sa mga bagay tulad ng mga teknik sa photolithography at mas mahusay na paraan sa paggawa ng patag na mga chip ay lubos na nagpatibay sa papel ng silicon bilang hari sa digital na mundo. Ang mga pag-unlad na ito ang nagbigay-daan hindi lamang sa ating pang-araw-araw na kompyuter kundi pati na rin sa mga smartphone, mga server na nagpapatakbo ng mga website, at kahit mga bahagi ng modernong data center na nagpapatakbo sa internet.
Ang Batas ni Moore ay nagsasaad na ang bilang ng mga transistor sa isang chip ay tumataas ng halos dalawang beses bawat dalawang taon, at ito ang naging gabay sa pag-unlad ng kompyuter mula nang si Gordon Moore ay magbigay ng kanyang sikat na hula noong 1965. Kung titingnan ang mga numero, ang sukat ng mga transistor ay mula sa humigit-kumulang 10 micrometer noong dekada 70 ay bumaba na ngayon sa mas mababa sa 5 nanometer noong 2023, na lubos na nagpataas sa bilis at kahusayan ng paggana ng mga chip. Mayroon dating tinatawag na Dennard scaling na nagpapanatili ng pare-pareho sa konsumo ng kuryente habang lumiliit ang transistor, ngunit ito ay nagsimulang bumagsak noong 2004 dahil sa mga problema sa leakage currents at pamamahala ng init. Ayon sa kamakailang Ulat sa Pag-scale ng Semiconductor noong 2024, lahat ng ito ang nagtulak sa industriya na lumipat sa paggamit ng maramihang core imbes na gawing mas mabilis ang iisang core, kaya ngayon mas binibigyang-pansin ng mga tagagawa ang parallel processing kaysa subukang itaas pa ang clock speeds.
Kapag dumating na tayo sa mga sukat na nasa sub-5nm, nagsisimula nang lumalabong ang lahat dahil sa quantum tunneling at mga nakakaabala parasitic capacitances. Ang mga electron ay hindi na kumikilos nang ayon sa inaasahan; madalas silang tumatawid sa mga gate barrier gamit ang tunneling effects. Nagdudulot ito ng iba't ibang uri ng leakage currents na maaaring umubos ng humigit-kumulang 30% ng kabuuang lakas ng isang chip, ayon sa pananaliksik ni Ponemon noong nakaraang taon. Lalo pang lumalala ang sitwasyon kapag tinitignan ang short channel effects na nakakaapekto sa katatagan ng threshold voltage. Ayon sa mga pag-aaral ng IEEE noong 2022, ang mga pagbabago ay tumaas ng humigit-kumulang 15% sa napakaliit na mga node. Lahat ng mga problemang ito ay nagkakabit-biting at nagiging sanhi ng malaking hamon sa pamamahala ng power density. Dahil dito, napilitang mamuhunan nang husto ang mga tagagawa sa mga sopistikadong cooling system, na karaniwang nagdadagdag ng anumang lugar mula 20% hanggang 40% sa kabuuang gastos sa produksyon ng mga pinakabagong chip.
Patuloy ang pagtaas ng bilang ng transistor, ngunit hindi na gaanong kinakampihan ng mga eksperto ang mga lumang paraan ng pagsisising. Ayon sa isang poll noong nakaraang taon ng IEEE, humigit-kumulang dalawang ikatlo ng mga inhinyerong semiconductor ang naniniwala na ang Batas ni Moore ay halos tumambay na. Ang isa lamang sa sampu ang umaasa na makikita natin ang mga praktikal na silicon chip na nasa ilalim ng 1nm sa malapit na hinaharap. Karamihan sa mga kumpanya ay nagbabago na ng pokus patungo sa 3D chip stacking at pagsasama-sama ng iba't ibang komponente imbes na subukang papainugin lahat sa iisang piraso. Sa kamakailang mga uso, tila mas hindi na gaanong mahalaga sa mundo ng teknolohiya kung gaano kaliit ang transistor at mas pinapahalagahan na ang kabuuang pagganap ng buong sistema. Ito ay nagpapakita ng isang malaking pagbabago sa pananaw kung ano ang tunay na pag-unlad sa pagpapaunlad ng semiconductor.
Ang paglipat mula sa patag na planar transistors tungo sa mga makabagong 3D FinFET ay tunay na isang laro-changer para sa mas mahusay na kontrol sa kuryente. Ang teknik dito ay ang paglalagay ng gate sa paligid ng maliit na silicon fin na nakatayo, na nagpapababa sa di-nais na leakage at nagbibigay-daan upang mapaliit pa ang sukat nang higit sa 22 nanometro. Pagkatapos ay dumating ang mga nanosheet transistor na higit pang pinalawak ang konseptong ito, na nagbibigay-daan sa mga inhinyero na i-adjust ang lapad ng mga conducting channel batay sa boltahe na kailangang harapin. Batay sa natuklasan ng industriya, patuloy na epektibo ang mga disenyo na tatlong-dimensional na ito kahit sa mga sukat na mas maliit pa sa 3nm, na isang bagay na hindi na posible sa mga lumang planar design kapag umabot na tayo sa paligid ng 28nm dahil lubhang lumala ang problema sa leakage at nasayang na kuryente.
Ang disenyo ng Gate-all-around (GAA) transistor ay dinala nang mas mataas ang teknolohiya ng FinFET sa pamamagitan ng pagsaklaw sa channel nang buo gamit ang gate material mula sa lahat ng direksyon. Ang ganap na saklaw na ito ay nagbibigay ng mas mahusay na kontrol sa mga elektrikal na katangian at binabawasan ang hindi gustong pagtagas ng humigit-kumulang 40 porsyento. Bukod dito, ang mga device na ito ay mas mabilis na nagbabago ng estado at gumagana nang maayos kahit kapag pinapaliit pa sila lampas sa 2nm. Samantala, ang Complementary FET (CFET) structures ay dadalhin pang mas malayo ang teknolohiya sa pamamagitan ng patikpakan ng n-type at p-type transistors nang isa sa ibabaw ng isa nang patayo. Ang mapanlikha nitong ayos ay nagdodoble sa bilang ng logic components na nakapaloob sa parehong espasyo nang hindi nangangailangan ng karagdagang lugar sa ibabaw ng chip. Parehong GAA at CFET na paraan ay nakatuon sa paglutas ng ilang seryosong problema na kinakaharap ng mga tagagawa habang pinamamahalaan ang electrostatic effects at pinoproseso ang layout habang papaliit ang mga semiconductor features hanggang sa atomic na sukat.
Ang mga nangungunang semiconductor foundry ay papalapit na sa sub-2nm fabrication process, bagaman posibleng makita ang gate-all-around (GAA) transistors sa mass production kung mananatili ang mga kasalukuyang projection noong 2025. Karamihan sa mga industry roadmap ay nakatuon na ngayon sa pagpapabuti ng performance habang binabawasan ang paggamit ng kuryente, imbes na lamang ipinasok ang mas maraming transistors sa mga chip. Ang ilang pilot facility ay nagsimula nang mag-eksperimento sa hybrid bonding techniques upang makalikha ng mga kahanga-hangang monolithic 3D structures, na nagpapakita na iniisip na ng mga kumpanya ang mas malaking larawan kung paano gumagana ang buong sistema nang magkasama. Ang mabagal na pag-deploy ng mga teknolohiyang ito ang nagpapaliwanag kung bakit patuloy na pumapasok ang malaking halaga ng pera sa cutting edge lithography equipment at advanced deposition systems. Kung wala ang mga mahahalagang upgrade na ito, ang buong industriya ay maaaring agad na huminto.
Ang monolitikong 3D integrasyon ay nagbibigay-daan sa mga tagagawa na lumikha ng maramihang aktibong layer sa isang substrate gamit ang sunud-sunod na mga teknik sa paggawa. Kapag pinagsama sa stacked CMOS teknolohiya, ang setup na ito ay nagpapahintulot sa integrasyon ng logic circuits nang direkta sa tabi ng memory components. Ngayon, nakikita na natin ang mga bagay tulad ng SRAM na inilalagay nang direkta sa ilalim ng compute cores. Gayunpaman, patuloy pa ring problema ang thermal issues sa pagitan ng mga layer at ang pagpapasa ng mga signal mula sa isang layer patungo sa isa pa. Subalit, ang kamakailang mga pagpapabuti sa mga low temperature manufacturing method kasama ang mas mahusay na through silicon vias (mga maliit na koneksyon na pumapasok nang buong-buo sa mga silicon wafer) ay nagpapahiwatig na mararating na ng mga tunay na produkto ang merkado para sa AI accelerators at edge computing devices sa paligid ng 2026? May ilang eksperto na naniniwala na ang ganitong uri ng spatial scaling ay maaaring mapanatili ang Moore's Law nang humigit-kumulang sampung karagdagang taon bago tayo makaharap sa susunod na hadlang.
Ang mga materyales na tinatawag na transition metal dichalcogenides, o TMDs sa maikli, ay kabilang ang mga katulad ng molybdenum disulfide (MoS2) at tungsten diselenide (WSe2). Napakapino ng mga materyales na ito sa antas na atomic at pinapayagan ang mga electron na lumipat nang maayos sa pamamagitan nila. Kapag tiningnan ang mga talagang maliit na katangian ng semiconductor, ang mga TMDs ay nakakamit ng ratio ng on/off current na higit sa 10 sa lakas na 8 habang gumagana lamang sa 0.7 volts. Talagang humigit-kumulang 74 porsiyento ito kumpara sa kayang gawin ng silicon ayon sa ilang kamakailang pananaliksik mula sa IMEC noong 2023. Ang paraan kung paano nakaka-stack ang mga materyales na ito sa mga layer ay tumutulong sa pagkontrol sa mga hindi gustong short channel effects kahit kapag ang mga katangian ay umabot na sa paligid ng 5 nanometers. Dahil sa katangiang ito, naniniwala ang maraming mananaliksik na ang mga TMDs ay magiging mahalagang bahagi sa susunod na henerasyon ng computer chips at iba pang logic device sa mga darating na taon.
Sa kabila ng kanilang potensyal, ang malawakang pag-adopt ng TMDs ay nahihirapan dahil sa mataas na densidad ng mga depekto sa panahon ng pag-deposito sa sukat ng wafer. Ang selective area epitaxy ay nabawasan ang trap states ng 63%, ngunit kailangan pa ring maabot ang <3% na densidad ng depekto para sa mataas na produksyon—isang pamantayan na hanggang ngayon ay nakamit lamang sa mga laboratoryong kapaligiran (2024 Semiconductor Roadmap).
Ang mga transistor na gawa sa carbon nanotube ay talagang kayang ilipat ang mga electron nang tuwid nang walang scattering kapag sila ay humigit-kumulang 15 nanometro ang haba. Dahil dito, ang kanilang switching speed ay halos tatlong beses na mas mabilis kumpara sa tradisyonal na silicon FinFET teknolohiya. Ngunit may isang hadlang. Patuloy pa ring nahihirapan ang mga mananaliksik sa pagkontrol sa chirality (na nagdedetermina sa mga katangiang elektrikal) at sa pagkamit ng pare-parehong doping results, na nagiging sanhi ng hirap sa paggawa ng mga maaasahang device nang paulit-ulit. Ang graphene ay isa pang kawili-wiling kaso. Bagaman ito ay may kamangha-manghang conductivity, wala itong likas na bandgap kaya hindi ito angkop para sa karaniwang digital na circuit. Gayunpaman, may ilang napakang promising na pananaliksik na ginagawa sa kombinasyon ng graphene at hexagonal boron nitride na mga layer. Maaaring matagpuan ng mga hybrid na istrukturang ito ang kanilang tiyak na gamit sa partikular na aplikasyon kung saan maari nilang epektibong mapakinabangan ang kanilang natatanging katangian.
Ang pagtulak upang isama ang mga 2D na materyales sa karaniwang produksyon ay nakatuon sa mga paraan ng atomic layer deposition na gumagana nang maayos sa mga high-k dielectrics tulad ng HZO. Ang kamakailang datos mula sa isang pangkat sa industriya noong 2024 ay nagpapakita na karamihan sa mga pasilidad sa paggawa ay sinusubok na ang mga kagamitan para sa mga materyales na ito. Humigit-kumulang 8 sa bawat 10 linya ay may ilang uri ng setup ng kagamitan para sa proseso ng 2D na materyales ngayon. Ngunit mayroon pa ring problema sa hulihan bahagi ng produksyon kung saan kailangang magawa ang mga bagong metal na koneksyon. Ang isyu ay ang sensitibidad sa init dahil maraming proseso ang hindi maaaring lumampas sa 400 degree Celsius nang hindi nasusugatan ang mga sangkap. Ang limitasyon ng temperatura na ito ay pumipilit sa mga inhinyero na humanap ng malikhaing solusyon upang maikonekta nang maayos ang mga advanced na materyales na ito nang hindi nasisira ang kanilang pagganap.
Inaasahan na ang bilang ng mga IoT device ay umabot sa humigit-kumulang 29 bilyon sa pamamagitan ng 2030, na nangangahulugan na kailangan ng mga transistor na umubos ng mas mababa sa 1 microamp sa standby mode upang mapanatiling maayos ang operasyon. Ipakikita ng kamakailang pananaliksik na ang mga subthreshold circuit kasama ang mga tunnel field effect transistor na naririnig natin kamakailan ay kayang bawasan ang leakage currents ng halos 60 porsyento kumpara sa karaniwang teknolohiyang MOSFET. Ano nga ba ang ibig sabihin nito para sa mga tunay na aplikasyon? Nangangahulugan ito na pinapayagan nito ang mga environmental monitoring system at ilang implantable medical gadget na tumakbo nang mga taon gamit ang isang singil lamang habang patuloy na may sapat na processing power upang maayos na maisagawa ang kanilang gawain. Talagang ipinapaunlad ng semiconductor industry ang mga inobasyong ito dahil alam nilang napakahalaga na ng mahabang buhay ng baterya sa maraming iba't ibang larangan.
Ang pinakabagong mga transistor na silicon carbide (SiC) at gallium nitride (GaN) ay nakakamit ang kahusayan na humigit-kumulang 99.3% kapag ginamit sa mga solar inverter, na nakatutulong upang bawasan ang humigit-kumulang 2.1 milyong toneladang emisyon ng CO2 tuwing taon sa kabuuan. Ayon sa mga kamakailang pag-aaral mula sa mga ulat sa imprastraktura ng enerhiya, ang mga napapanahong bahagi ng switching na ito ay nabawasan ang pagkawala ng kuryente ng humigit-kumulang 40% sa mga aplikasyon ng smart grid simula noong naitala ang mga datos noong 2020. Kasalukuyan nang lumiliko ang mga tagagawa patungo sa mga teknik ng wafer level packaging. Ang paraan na ito ay hindi lamang nababawasan ang mga mapilit na pagkawala ng resistensya kundi gumagana rin nang maayos kasama ang kasalukuyang 300mm na kagamitan sa paggawa nang hindi nangangailangan ng malalaking pagbabago sa mga pasilidad sa produksyon.
Ang mga neuromorphic na chip na gumagamit ng ferroelectric FETs (FeFETs) ay nakakamit ng 1,000—mas mahusay na kahusayan sa enerhiya bawat synaptic na operasyon kaysa sa GPU—na nagbibigay-daan sa epektibong pag-deploy ng AI sa gilid ng network. Ang mga flexible na organic thin-film transistor ay umabot na ngayon sa mobilities na 20 cm²/V·s at kayang tumagal ng 500 beses na pagbending, na sumusuporta sa matibay at mababanhong health monitor.
Ang modernong disenyo ng transistor ay balanse ang ON-current (ION), bilis ng switching, gastos, at tibay batay sa pangangailangan ng aplikasyon. Ang mga transistor na pang-automotive ay gumagana nang maayos sa 175°C, habang ang mga biomedical na bersyon ay nakakatugon sa mahigpit na 0.1% na rate ng kabiguan sa loob ng 15-taong lifespan. Ang ganitong application-specific na pamamaraan ay ginagarantiya na ang mga teknolohikal na pag-unlad ay nagiging tunay na katiyakan at halaga sa totoong mundo.
Ano ang pangunahing pagkakabigo na natamo ng Bell Labs noong 1947?
Noong 1947, ang mga siyentipiko ng Bell Labs ang nagimbento ng point contact transistor. Pinaglingan nito na ang mga electronic device ay maging mas maliit at mas epektibo kumpara sa mga vacuum tube na ginamit dati.
Bakit naging paborito ang silicon kaysa germanium sa mga transistor?
Pinalitan ng silicon ang germanium bilang ginustong semiconductor material noong kalagitnaan ng 1960 dahil mas nakakatiis ito sa mas mataas na temperatura, may mas kaunting leakage, at mas mahusay ang pagganap kasama ang mga oxide insulator.
Ano ang Batas ni Moore at bakit ito mahalaga?
Ang Batas ni Moore ay nagsasaad na ang bilang ng mga transistor sa isang chip ay magdodoble bawat dalawang taon, na nagtutulak sa mga pag-unlad sa lakas ng komputasyon at kahusayan.
Ano ang FinFET at GAA teknolohiya?
Ang FinFET at Gate-All-Around (GAA) ay mga advanced na disenyo ng transistor na nagbibigay ng mas mahusay na kontrol sa kuryente at mas mababang leakage, na angkop para sa mas maliit na sukat ng chip.
Ano ang 2D materials at ang kanilang papel sa teknolohiyang transistor?
ang mga 2D na materyales, tulad ng TMDs, ay naglalaman ng manipis na mga atomikong layer na nagbibigay-daan sa mas mahusay na paggalaw ng electron, na nagdudulot ng potensyal na epekto sa kahusayan kumpara sa tradisyonal na mga silicon layer para sa mga susunod na semiconductor.
Paano nakakatulong ang inobasyon sa transistor sa kahusayan ng enerhiya?
Ang inobasyon sa transistor, kabilang ang mga disenyo na ultra-low power at materyales na mahusay sa enerhiya, ay malaki ang nagpapababa sa pagkonsumo ng kuryente sa mga device ng IoT, teknolohiya ng solar, at smart grids.