EN
Hızlı Bağlantılar
Modern elektronik, Bell Labs'taki William Shockley, John Bardeen ve Walter Brattain'ın 1947 yılında nokta temaslı transistörü icat etmesiyle ciddi anlamda yol almaya başladı. Bundan önce her şey, bol miktarda güç tüketen ve kolayca bozulabilen büyük vakum tüplerine dayanıyordu. Onların geliştirdiği yeni yarı iletken cihazlar çok daha küçüktü, önemli ölçüde daha az elektrik harcıyor ve cihazların boyutlarının drastik şekilde küçülmesini sağladı. Birkaç yıl sonra, 1951'de, Shockley'in geliştirdiği jonksiyon transistör adını verdiği versiyonu ortaya çıktı ve bu transistör zamanla daha iyi çalıştı, ayrıca bu bileşenlerin endüstriler genelinde yaygın olarak kullanılabilmesi için üretimi pratik hale getirdi. Bu gelişme, bugün doğal olarak kabul ettiğimiz tüm elektronik yenilikleri için bir bacadan çıkan su gibi açılan bir kapı niteliğindeydi.
Ilk olanı transistörler almanyum, yarı iletken malzeme olarak oldukça iyi çalıştığı için kullanıldı. Ancak sıcaklık yaklaşık 75 santigrat derecenin üzerine çıkınca bir sorun ortaya çıktı ve bu da onları çoğu endüstriyel uygulama için güvenilmez hale getirdi. 1960'ların ortalarında silikon, sektörde standart hâle gelen oksit yalıtkanlarla daha iyi çalışan, çok daha yüksek ısıya dayanabilen ve daha az akım sızdıran bir malzeme olarak öne çıkmaya başladığında durum değişti. Kristal büyüme ve katkı maddeleri eklenmesi (doping) süreçlerindeki yöntemler geliştiğinde üreticiler, silikon lamelleri tutarlı bir şekilde üretime başladı. Bu gelişme, zaman içinde yarı iletkenlerin daha küçük ve daha güçlü hâle getirilmesi açısından son derece önemli oldu.
1958 yılında, Texas Instruments'dan Jack Kilby ve Fairchild Semiconductor'dan Robert Noyce, entegre devreyi icat etti. Bu küçük mucize, elektronik parçaları bir kart üzerine dağılmış şekilde değil de tek bir silikon parçası üzerine yerleştiriyordu. 70'lerin ortasına gelindiğinde ise büyük ölçekli entegrasyon hızla gelişerek her bir çipe on binlerce küçük transistörü sığdırmayı başardı. Bu durum, Gordon Moore'un bilgisayar gücünün her iki yılda bir ikiye katılması konusunda öne sürdüğü tahminle tam olarak örtüşüyordu. Zaman ilerledikçe, fotolitografi tekniklerindeki iyileştirmeler ve düz çipler üretme yöntemlerindeki gelişmeler, silikona dijital dünyadaki egemen rolünü sağlamlaştırdı. Bu gelişmeler, yalnızca günlük hayatımızdaki bilgisayarların değil, aynı zamanda akıllı telefonların, web sitelerini çalıştıran sunucuların ve internetin çalışmaya devam etmesini sağlayan modern veri merkezlerinin bile bazı bileşenlerinin mümkün olmasını sağladı.
Moore Yasası, temel olarak bir çip üzerindeki transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir ikiye katlandığını ifade eder ve bu durum, Gordon Moore'un 1965'te yaptığı meşhur tahmininden bu yana bilgisayar gelişimini yönlendirmiştir. Rakamlara bakıldığında, transistörlerin boyutunun 70'li yıllarda yaklaşık 10 mikrometreden, 2023 itibarıyla 5 nanometrenin altına indiği görülür ki bu da hem hızı hem de çiplerin çalışma verimliliğini büyük ölçüde artırmıştır. Transistörler küçüldükçe güç tüketimini dengede tutan Dennard Ölçeklemesi adında bir durum vardı ancak sızıntı akımları ve ısı yönetimi sorunları nedeniyle bu durum 2004 civarında bozulmaya başlamıştır. 2024 yılına ait son Yarı İletken Ölçekleme Raporu'na göre, tüm bu durum sektörün tek çekirdekleri daha hızlı hâle getirmek yerine çoklu çekirdek kullanımına yönelmesine neden olmuştur. Bu yüzden üreticiler saat hızlarını artırmaya çalışmak yerine paralel işlemeye daha fazla odaklanmaktadır.
Altıncı nm'nin altındaki boyutlara indiğimizde, kuantum tünelleme ve bu sinir bozucu kaçak kapasiteler nedeniyle işler gerçekten zorlaşmaya başlıyor. Elektronlar artık beklenildiği gibi davranmıyorlar ve tünelleme etkileri aracılığıyla kapı bariyerlerinin tam anlamıyla üzerinden geçiyorlar. Bu durum, Ponemon'ın geçen yılki araştırmasına göre bir çipin toplam gücüne yaklaşık %30'unu harcayan çeşitli sızıntı akımları oluşturuyor. Ayrıca eşik voltajının ne kadar kararlı kaldığını etkileyen kısa kanal etkilerine bakıldığında durum daha da kötüleşiyor. IEEE'nin 2022'deki çalışmalarında belirtildiği gibi, bu minik düğümlerde değişimler yaklaşık %15 artıyor. Tüm bu sorunlar birbirinin üzerine eklenerek güç yoğunluğunun yönetilmesini son derece zorlaştırıyor. Sonuç olarak üreticiler, genellikle bu son teknoloji çiplerin üretim maliyetlerine %20 ile %40 arasında ek maliyet ekleyen, gelişmiş soğutma sistemlerine büyük ölçüde yatırım yapmak zorunda kalıyor.
Transistör sayıları artmaya devam ediyor, ancak konunun uzmanları artık eski ölçekte küçültme yöntemlerini fazla desteklemiyor. Geçen yıl yapılan bir IEEE anketine göre, yarı iletken mühendislerinin yaklaşık üçte ikisi Moore Yasası'nın temelde bir duvara çarptığını düşünüyor. Katkıda bulunacak olanların yalnızca onda biri yakında 1nm'in altındaki pratik silikon çiplerin görüleceğini bekliyor. Çoğu şirket, her şeyi tek bir parça haline getirmeye çalışmak yerine, artık 3D çip istifleme ve farklı bileşenleri bir araya getirmeye odaklanıyor. Son trendlere bakıldığında, teknoloji dünyasının transistörlerin ne kadar küçük olduğundan çok, tüm sistemlerin birlikte ne kadar iyi çalıştığına daha çok önem verdiği görülüyor. Bu durum, yarı iletken geliştirme sürecinde gerçek ilerlemenin ne olduğu konusundaki düşüncede oldukça büyük bir değişimi işaret ediyor.
Düzlemsel transistörlerden bu şık 3D FinFET yapılarına geçiş, elektriği daha iyi kontrol etmek açısından neredeyse oyunun kurallarını değiştirdi. Buradaki yöntem, dik duran küçük silikon finin çevresini kapı elektroduyla tamamen sarmaktır ve bu sayede istenmeyen kaçak akımlar azalır ve devrelerin 22 nanometrenin altına kadar küçültülmesi mümkün hale gelir. Daha sonra bu kavramı bir adım ileri taşıyan nanosaylı transistörler ortaya çıktı ve mühendislere, hangi voltajları yönetmeleri gerektiğine göre iletim kanallarının genişliğini ayarlama imkânı verdi. Endüstrinin elde ettiği sonuçlara bakıldığında, bu üç boyutlu tasarımlar 3 nm'den daha küçük ölçülere inildiğinde hâlâ iyi çalışırken, eski düzlemsel tasarımlar yaklaşık 28 nm civarında kalıntı akım ve israf edilen güç sorunları nedeniyle tamamen kontrol dışı hâle gelmişti.
Gate-all-around (GAA) transistör tasarımı, kanalı her yönden gate malzemesiyle tamamen çevreleyerek FinFET teknolojisini bir sonraki seviyeye taşır. Bu tam kapsama, elektriksel özellikler üzerinde çok daha iyi kontrol sağlar ve istenmeyen sızıntıyı yaklaşık %40 oranında azaltır. Ayrıca bu cihazlar durum değiştirme işlemlerini daha hızlı gerçekleştirir ve 2nm'nin ötesine indikçe ölçeklendirildiklerinde iyi çalışırlar. Bu arada Complementary FET (CFET) yapıları, n-tipi ve p-tipi transistörleri dikey olarak birinin üzerine bir şekilde üst üste yerleştirerek durumu daha da ileri taşır. Bu akıllıca düzenleme, çip yüzeyinde daha fazla alan gerektirmeden aynı alana sığan mantık bileşenlerinin sayısını iki katına çıkarır. Hem GAA hem de CFET yaklaşımları, yarı iletken yapıların atomik boyutlara kadar küçülmesiyle birlikte üreticilerin elektrostatik etkileri yönetme ve yerleşimleri optimize etme konusunda karşılaştıkları ciddi sorunların bazılarını ele alır.
En büyük yarı iletken fabrikaları, alt-2nm üretim süreçlerine doğru ilerliyor olsa da, mevcut tahminlere göre kapı-tamamen-çevreleyen (GAA) transistörlerin yaklaşık 2025 yılında seri üretime girmesi bekleniyor. Çoğu sektör yol haritası artık çiplere daha fazla transistör sığdırmaktan ziyade, daha az güç kullanarak daha iyi performans elde etmeye odaklanıyor. Bazı deneme tesisleri, gösterişli monolitik 3D yapıları oluşturmak için hibrit bağlama teknikleriyle deneysel çalışmalara başladı ve bu durum şirketlerin tüm sistemlerin bir arada nasıl çalıştığı konusunda daha kapsamlı düşündüğünü gösteriyor. Bu teknolojilerin yavaş benimsenmesi, neden sürekli olarak son teknoloji litografi ekipmanlarına ve gelişmiş kaplama sistemlerine milyarlarca dolarlık yatırım yapıldığının altını çiziyor. Bu pahalı yükseltmeler olmasaydı, tüm sektör oldukça hızlı bir şekilde duraklardı.
Monolitik 3D entegrasyon, üreticilerin ardışık üretim tekniklerini kullanarak tek bir altlık üzerine birden fazla aktif katman oluşturmalarına olanak tanır. Yığılmış CMOS teknolojisiyle birleştirildiğinde, bu yapı sayesinde bellek bileşenlerinin hemen yanında doğrudan mantık devreleri entegre edilebiliyor. Şu anda SRAM'lerin doğrudan işlem çekirdeklerinin hemen altında yer alması gibi durumlar görülüyor. Ancak katmanlar arasındaki termal sorunlar ve sinyallerin bir katmandan diğerine taşınması hâlâ sorun teşkil ediyor. Bunlara rağmen düşük sıcaklık üretim yöntemlerindeki son gelişmeler ile silikon waferlerin tamamından geçen minik bağlantılar olan through silicon via'ların (TSV) iyileştirilmesi, 2026 civarında yapay zeka hızlandırıcılar ve kenar bilişim cihazları için piyasaya sürülmesi muhtemel ürünlerin ortaya çıkmasına işaret ediyor. Bazı uzmanlar, bu tür mekânsal ölçeklemenin bir başka duvara çarpmadan önce Moore Kanunu'nu yaklaşık on yıl daha yaşatabileceğini düşünüyor.
Geçiş metali dikalkojenürler olarak adlandırılan malzemeler veya kısaca TMD'ler, molibden disülfür (MoS2) ve tungsten diselenür (WSe2) gibi maddeleri içerir. Bu malzemeler atomik düzeyde çok incedir ve elektronların içlerinden oldukça hızlı bir şekilde hareket etmelerine olanak tanır. Gerçekten küçük yarı iletken özelliklerini incelediğimizde, bu TMD'ler sadece 0,7 voltluk bir gerilimle çalışırken 10'un 8. kuvvetini aşan açma/kapama akımı oranlarına ulaşabilmektedir. Bu, IMEC'in 2023 yılında yaptığı bazı son araştırmalara göre silikonun yapabildiğinden yaklaşık %74 daha iyidir. Bu malzemelerin katmanlar halinde üst üste dizilme şekli, yapıların yaklaşık 5 nanometre civarına indiği durumlarda bile kısa kanal etkileri gibi sorunları kontrol etmeye yardımcı olur. Bu özelliğinden dolayı birçok araştırmacı, önümüzdeki yıllarda TMD'lerin yeni nesil bilgisayar yongaları ve diğer lojik cihazlar için önemli yapı taşları olabileceğine inanmaktadır.
Potansiyellerine rağmen, TMD'lerin yaygın benimsenmesi, wafer ölçekli biriktirme sırasında oluşan kusur yoğunlukları tarafından engellenmektedir. Seçici alan epitaxyası, tuzak durumlarını %63 oranında azaltmıştır; ancak yüksek hacimli üretim için hâlâ %3'ten düşük kusur yoğunluğu gerekmektedir—bu standart şimdiye kadar yalnızca laboratuvar ortamlarında sağlanabilmiştir (2024 Yarı iletken Yol Haritası).
Karbon nanotüplerden üretilen transistörler, yaklaşık 15 nanometre uzunluğunda olduklarında elektronları saçılmadan düz bir çizgide hareket ettirebilirler. Bu, onlara geleneksel silikon FinFET teknolojisine kıyasla neredeyse üç kat daha hızlı anahtarlama hızları sağlar. Ancak bir sorun var. Araştırmacılar hâlâ kiraliteyi (elektriksel özellikleri belirleyen) kontrol etmede ve tutarlı katkılama sonuçları elde etmede zorlanıyorlar; bu da güvenilir cihazların sürekli olarak üretilmesini zorlaştırıyor. Grafen bir başka ilginç örnek teşkil ediyor. İnanılmaz bir iletkenliğe sahip olmasına rağmen, doğal bir bant aralığına sahip olmadığı için standart dijital devreler için uygunsuzdur. Yine de, grafen ve altıgen bor nitrür katmanlarının kombinasyonlarıyla bazı umut verici çalışmalar gerçekleşiyor. Bu hibrit yapılar, benzersiz özelliklerinin etkili bir şekilde kullanılabileceği belirli uygulamalarda niş kullanım alanları bulabilir.
2D malzemeleri düzenli üretim süreçlerine entegre etme çabaları, HZO gibi yüksek-k dielektriklerle iyi çalışan atomik tabaka biriktirme yöntemleri etrafında yoğunlaştı. 2024 yılında bir sektör kuruluşunun yayınladığı verilere göre, çoğu üretim tesisi bu malzemeler için zaten ekipman testleri yapıyor. Şu anda yaklaşık her 10 hattın 8'inde 2D malzeme işleme amacıyla bazı türde bir ekipman kurulumu mevcut. Ancak üretim sürecinin arka ucunda yeni metal bağlantıların yapılması gereken noktada hâlâ çözülmesi gereken bir sorun var. Sorun, bileşenlere zarar vermeden genellikle 400 santigrat derecenin üzerine çıkılamayan işlemlerden kaynaklanan ısıya duyarlılık. Bu sıcaklık sınırlaması, mühendislerin performansı riske atmadan bu gelişmiş malzemeleri doğru şekilde birbirine bağlamanın yaratıcı çözümlerini bulmalarını zorunlu kılıyor.
2030 yılına kadar IoT cihazlarının sayısı yaklaşık 29 milyara ulaşması bekleniyor ve bu da verimli çalışmayı sürdürmek için transistörlerin bekleme modunda 1 mikroamperden daha az enerji tüketmesi gerektiği anlamına geliyor. Son yapılan araştırmalar, son zamanlarda sıkça duyduğumuz tünelleme alan etkili transistörlerle birlikte alt eşik devrelerin, standart MOSFET teknolojisine kıyasla kaçak akımları neredeyse %60 oranında azaltabildiğini gösterdi. Peki bu gerçek uygulamalarda ne anlama geliyor? Bu durum, çevresel izleme sistemlerinin ve bazı yerleştirilebilir tıbbi cihazların tek bir şarjla yıllarca çalışmasını mümkün kılıyor ve yine de görevlerini düzgün bir şekilde yapmak için yeterli işlem gücüne sahip olmalarını sağlıyor. Yarı iletken endüstrisi bu inovasyonları gerçekten hızlandırıyor çünkü uzun ömürlü pillerin birçok farklı alanda ne kadar kritik hale geldiğini biliyor.
En yeni silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) transistörler, güneş invertörlerinde kullanıldığında yaklaşık %99,3 verim sağlayabiliyor ve bu da yıllık olarak toplamda yaklaşık 2,1 milyon ton CO2 emisyonunun azalmasına yardımcı oluyor. Enerji altyapısı raporlarından yapılan son çalışmalara göre, bu gelişmiş anahtarlama bileşenleri, 2020 yılında kaydedilen rakamlara kıyasla akıllı şebeke uygulamalarında güç kayıplarını yaklaşık %40 oranında düşürdü. Üreticiler artık aynı zamanda wafer seviyesi paketleme tekniklerine yöneliyor. Bu yaklaşım, sürekli rahatsız eden direnç kayıplarını azaltmakla kalmıyor, aynı zamanda üretim tesislerinin büyük çapta yeniden yapılandırılmasına gerek kalmadan mevcut 300 mm üretim ekipmanlarıyla uyumlu bir şekilde çalışıyor.
Ferroelektrik FET'ler (FeFET'ler) kullanan nöromorfik çipler, GPU'lara göre sinaptik işlem başına 1.000 kat daha iyi enerji verimliliği sağlar ve böylece ağ kenarında etkili AI uygulamasını mümkün kılar. Esnek organik ince film transistörler artık 20 cm²/V·s mobiliteye ulaşmış ve 500 bükülme döngüsüne dayanabilmektedir ve bu da dayanıklı, yıkanabilir sağlık monitörlerini desteklemektedir.
Modern transistör tasarımı, uygulama ihtiyaçlarına göre iletim akımı (ION), anahtarlama hızı, maliyet ve dayanıklılık arasında denge kurar. Otomotiv sınıfı transistörler 175°C'de güvenilir şekilde çalışır, tıbbi cihazlara yönelik modeller ise 15 yıllık ömür boyunca %0,1 hata oranı gibi katı gereksinimleri karşılar. Bu uygulamaya özel yaklaşım, teknolojik gelişmelerin gerçek dünyada güvenilirlik ve değer yaratmasını sağlar.
Bell Labs'in 1947 yılında yaptığı büyük atılım neydi?
1947'de Bell Labs'ın bilim insanları nokta temaslı transistörü icat etti. Bu, daha önce kullanılan vakum tüplerine kıyasla elektronik cihazların çok daha küçük ve verimli olmasına olanak sağladı.
Transistörlerde silikon neden germanyumun yerini aldı?
Silikon, 1960'ların ortalarında daha yüksek sıcaklıkları dayanabilmesi, daha az kaçak akıma sahip olması ve oksit yalıtkanlarla daha iyi çalışabilmesi nedeniyle tercih edilen yarı iletken malzeme haline geldi.
Moore Yasası nedir ve neden önemlidir?
Moore Yasası, bir çip üzerindeki transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir ikiye katlanacağını öngörerek hesaplama gücü ve verimlilikteki gelişmeleri yönlendirir.
FinFET ve GAA teknolojileri nedir?
FinFET ve Tüm Kaplama Geçidi (GAA), elektriksel kontrolü artıran ve kaçak akımı azaltan gelişmiş transistör mimarileridir ve bu da onları daha küçük çip boyutları için uygun hale getirir.
İki boyutlu (2D) malzemeler nelerdir ve transistör teknolojisindeki rolleri nedir?
tMD'ler gibi 2D malzemeler, geleneksel silikon katmanlarına göre daha iyi elektron hareketi sağlayarak geleceğin yarı iletkenleri için potansiyel verimlilik avantajları sunan ince atomik katmanlardan oluşur.
Transistör innovasyonu enerji verimliliğine nasıl katkıda bulunur?
Ultra düşük güç tasarımları ve enerji verimli malzemeler dahil olmak üzere transistör innovasyonu, IoT cihazlarında, güneş teknolojisinde ve akıllı şebekelerde enerji tüketimini önemli ölçüde azaltır.