सेमीकंडक्टर के क्षेत्र में, हम आजकल सामग्री, उपकरण, निवेश आदि पर काफी चर्चा कर रहे हैं। प्रत्येक विषय का अपना अलग फोकस है। सामग्री तो तीसरी पीढ़ी के वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर पदार्थ ही हैं; उपकरण मुख्य रूप से WBG पदार्थों पर आधारित MOS, HEML आदि हैं, जिनके बारे में हम पहले बात कर चुके हैं; मैं निवेश, उद्योग के रुझान, कॉर्पोरेट जानकारी, शेयर बाजार आदि के बारे में विस्तार से चर्चा नहीं करूंगा। आज हम सेमीकंडक्टर उद्योग के इतिहास के बारे में बात करेंगे और इसकी उत्पत्ति के बारे में जानेंगे।    
           

वैक्यूम ट्रायोड "समस्याएं पैदा करते हैं"

वैक्यूम ट्रायोड की बात करें तो, इसका आविष्कार ली डेफोरेस्ट ने 1906 में किया था, जिससे रेडियो और टेलीविजन जैसे उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का निर्माण संभव हुआ। यह विश्व के पहले इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर का मस्तिष्क भी था। इसका क्षेत्रफल लगभग 140 वर्ग मीटर था और इसका वजन 30 टन था। इसमें लगभग 19,000 वैक्यूम ट्यूब और हजारों प्रतिरोधक और संधारित्र लगे थे। वैक्यूम ट्रायोड में एक ग्रिड और ग्रिड द्वारा अलग किए गए दो इलेक्ट्रोड होते हैं, जो एक कांच से सील किए गए स्थान में स्थित होते हैं। सील किए गए स्थान के अंदर निर्वात होता है, जो घटकों को जलने से बचाता है और इलेक्ट्रॉनों की मुक्त गति को सुगम बनाता है।  
   
इसके दो प्रमुख कार्य हैं: स्विचिंग और एम्प्लीफिकेशन। स्विचिंग का अर्थ है करंट को चालू और बंद करना, और एम्प्लीफिकेशन का अर्थ है सिग्नल के मूल गुणों को बनाए रखते हुए करंट या छोटे सिग्नलों को एम्प्लीफाई करना। हालांकि, इसके कई नुकसान भी हैं, जैसे बड़ा आकार, आसानी से कनेक्शन का ढीला होना, कम जीवनकाल और जल्दी खराब होना।  
इन खामियों की वजह से इसका विकास या प्रतिस्थापन अपरिहार्य हो गया। 1949 में, बेल लैब्स के जॉन बार्डीन, वाल्टर ब्रैटिन और विलियम शॉकली (विलियम शॉकली) ने जर्मेनियम अर्धचालक पदार्थ से बना इलेक्ट्रॉनिक एम्पलीफायर का आविष्कार किया, जो पहली पीढ़ी का ट्रांजिस्टर था (इन तीनों वैज्ञानिकों को 1956 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला)। ट्रांजिस्टर को मूल रूप से "ट्रांसमिशन रेसिस्टर" कहा जाता था और बाद में इसका नाम बदलकर ट्रांजिस्टर कर दिया गया।  
   
इस प्रकार के ट्रांजिस्टर में वैक्यूम ट्यूब के सभी कार्य शामिल होते हैं, और यह सॉलिड-स्टेट होता है, इसमें वैक्यूम की आवश्यकता नहीं होती है, इसके कई फायदे हैं जैसे छोटा आकार, हल्का वजन, कम बिजली की खपत और लंबी आयु। तब से हम "सॉलिड-स्टेट युग" में प्रवेश कर चुके हैं, जो अब तक हमने सबसे अधिक देखा है।  
पहले ट्रांजिस्टर से लेकर हमारे वर्तमान पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों तक के विकास ने पावर इलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी में तीव्र प्रगति को जन्म दिया है। इन उपकरणों को सामान्यतः असतत उपकरण कहा जाता है, अर्थात् प्रत्येक चिप में केवल एक ही घटक होता है। एक अन्य अर्धचालक-संबंधी उपकरण जिसका हमने पहले उल्लेख नहीं किया है, वह है एकीकृत परिपथ।      
       

इंटीग्रेटेड सर्किट

एकीकृत परिपथ (Integrated circuit) एक सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक उपकरण है जो एक निश्चित प्रक्रिया का उपयोग करके ट्रांजिस्टर, प्रतिरोधक, संधारित्र, प्रेरक और अन्य घटकों तथा तारों को एक अर्धचालक सब्सट्रेट पर परिपथ में आपस में जोड़ता है, और फिर इसे एक ट्यूब के खोल में बंद कर देता है ताकि आवश्यक परिपथ कार्यों के साथ एक सूक्ष्म संरचना का निर्माण हो सके।  
पहला इंटीग्रेटेड सर्किट टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स के जैक किल्बी द्वारा आविष्कार किया गया था, लेकिन यह आज के इंटीग्रेटेड सर्किट के स्वरूप से अलग था।  
आरंभ में यह अलग-अलग तारों से जुड़ा हुआ था, लेकिन इससे पहले फेयरचाइल्ड कैमरा के जीन हॉर्नी ने एक समतल निर्माण प्रक्रिया विकसित की थी, जिससे सिलिकॉन की इन्सुलेटर सिलिकॉन ऑक्साइड बनाने की आसानी का लाभ उठाते हुए चिप की सतह पर इलेक्ट्रॉनिक जंक्शन बनाकर ट्रांजिस्टर बनाए जा सकते थे। इसके बाद रॉबर्ट नॉइस ने इस तकनीक का उपयोग सिलिकॉन की सतह पर पहले से बने अलग-अलग उपकरणों को जोड़ने के लिए किया, जिससे अंततः सभी एकीकृत परिपथों में उपयोग होने वाला पैटर्न तैयार हुआ।  
         

शिल्प कौशल और रुझान

1947 से, सेमीकंडक्टर उद्योग ने प्रौद्योगिकी में सुधार और विकास करना शुरू कर दिया है, और यह आज भी विकसित हो रहा है। प्रक्रिया में सुधार को दो श्रेणियों में बांटा जा सकता है: प्रक्रिया और संरचना।  
प्रक्रिया में सुधार: उपकरणों और परिपथों का छोटे आकार में निर्माण करना, जिससे उनकी उच्च घनत्व, अधिक मात्रा और उच्च विश्वसनीयता संभव हो सके।  
संरचनात्मक सुधार: नए उपकरण डिजाइनों में किए गए आविष्कारों से बेहतर प्रदर्शन, ऊर्जा खपत पर बेहतर नियंत्रण और उच्च विश्वसनीयता संभव हो पाती है।  
इन दो सुधारों के प्रभावों को आईजीबीटी की कई पीढ़ियों के विकास इतिहास से अच्छी तरह समझा जा सकता है। बेशक, हमने पहले जिन कारकों का उल्लेख किया था, जैसे कि उपकरण प्रक्रिया में कुछ दोष आदि, उन्हें प्रक्रिया सुधारों के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।  
इंटीग्रेटेड सर्किट में उपकरणों का आकार और संख्या, आईसी विकास के दो सामान्य संकेत हैं। उपकरण का आकार डिज़ाइन में सबसे छोटे आकार से व्यक्त किया जाता है, जिसे हम फ़ीचर पैटर्न आकार कहते हैं। छोटे पैमाने के इंटीग्रेटेड सर्किट से लेकर आज के लाखों चिप्स तक के विकास में एकल घटक के फ़ीचर पैटर्न आकार में कमी आई है, जिसे फोटोलिथोग्राफी मशीन पैटर्निंग प्रक्रिया और मल्टी-लेयर वायरिंग तकनीक में हुए महत्वपूर्ण सुधारों से लाभ हुआ है। आजकल इस पर काफी चर्चा होती है, जैसे 22nm चिप्स, 10nm या 7nm आदि। अधिक तकनीकी अभिव्यक्ति गेट की चौड़ाई है, यानी हम गेट के एक हिस्से की चौड़ाई को नियंत्रित करते हैं। छोटे और तेज़ ट्रांजिस्टर और उच्च घनत्व वाले सर्किट कम गेट चौड़ाई से लाभान्वित होते हैं। इस संदर्भ में, मुझे "मूर का नियम" शब्द का उल्लेख करना होगा, जिसे मैंने कुछ समय पहले अक्सर देखा था। इंटेल के संस्थापकों में से एक, गॉर्डन मूर ने 1965 में भविष्यवाणी की थी कि एक चिप पर ट्रांजिस्टरों की संख्या हर 18 महीने में दोगुनी हो जाएगी। कई वर्षों के वास्तविक सत्यापन के बाद, यह दर अपेक्षाकृत सटीक है और भविष्य में चिप्स पर ट्रांजिस्टर के घनत्व का अनुमान लगाने का आधार बन गई है। सर्किट में उपकरणों की संख्या, यानी एकीकरण के स्तर के अनुसार, इसे कई स्तरों में विभाजित किया जा सकता है: लघु-स्तरीय एकीकरण (SSI): 2~50 इकाइयाँ/चिप; मध्यम-स्तरीय एकीकरण (MSI): 50~5000 इकाइयाँ/चिप; वृहद-स्तरीय एकीकरण (LSI): 5000~100000 इकाइयाँ/चिप; अत्यंत वृहद-स्तरीय एकीकरण (VLSI): 100000~1000000 इकाइयाँ/चिप; अत्यंत वृहद-स्तरीय एकीकरण (ULSI): >1000000 इकाइयाँ/चिप।  
मूर का नियम समय के साथ असीमित रूप से विकसित नहीं होता। यह मुख्य रूप से अर्धचालक पदार्थों और उनकी तैयारी की सीमाओं से सीमित है। इसलिए, हमें अक्सर यह खबर सुनने को मिलती है कि सिलिकॉन अर्धचालक पदार्थ अपनी सीमा के करीब पहुंच रहा है। अतः, नए पदार्थों का विकास करना और उपकरणों एवं डिज़ाइन में निरंतर सुधार करना आवश्यक है।  
         

चिप और वेफर का आकार

हम सभी जानते हैं कि चिप्स सिलिकॉन या अन्य अर्धचालक पदार्थों की पतली परतों पर बनाई जाती हैं जिन्हें वेफर कहा जाता है।  
 
एक वृत्ताकार वेफर पर आयताकार चिप बनाने से वेफर के किनारे पर कुछ अनुपयोगी क्षेत्र बच जाता है। चिप का आकार बढ़ने पर ये अनुपयोगी क्षेत्र भी बड़े हो जाते हैं, इसलिए धीरे-धीरे बड़े आकार के वेफरों का उपयोग किया जाने लगा। इससे चिप का आकार अप्रत्यक्ष रूप से कम हो जाता है और उत्पादन क्षमता और आउटपुट में भी सुधार होता है। यही एक कारण है कि वेफर का आकार 6 इंच से बढ़कर 8 इंच और अब 12 इंच हो गया है।  
आज चिप का आकार लगातार छोटा होता जा रहा है, लागत कम होती जा रही है और प्रदर्शन लगातार बेहतर होता जा रहा है। यह ऊपर बताए गए प्रक्रिया सुधारों और उपकरण विकास के कारण संभव हो रहा है, जिसके परिणामस्वरूप सेमीकंडक्टर उद्योग में प्रतिस्पर्धा भी लगातार बढ़ती जा रही है।  
फिलहाल, निर्माताओं के मोटे तौर पर तीन प्रकार हैं: एकीकृत उपकरण निर्माता (आईडीएम): जो डिजाइन, निर्माण, पैकेजिंग और बिक्री को एकीकृत करते हैं; फाउंड्री: जो अन्य चिप आपूर्तिकर्ताओं द्वारा निर्मित चिप्स का निर्माण करते हैं; फैबलेस: जो केवल चिप डिजाइन और बिक्री के लिए जिम्मेदार होते हैं, और बाकी अधिकांश कार्य आउटसोर्स किए जाते हैं। बेशक, अन्य मिश्रित मॉडल भी मौजूद हैं। साथ ही, सेमीकंडक्टर के स्थानीयकरण के कारण घरेलू सेमीकंडक्टर निर्माताओं और उद्यम मॉडलों की संख्या में लगातार वृद्धि हो रही है।  
         

अंत में लिखें

फिलहाल, सेमीकंडक्टर उद्योग का स्थानीयकरण एक चलन है, और यह न केवल घरेलू कंपनियों की संख्या पर निर्भर करता है, बल्कि इस अस्थिर वातावरण में कितनी कंपनियां टिक सकती हैं, इस पर भी निर्भर करता है। संक्षेप में कहें तो, अगर आपके पास समय है तो हवा और लहरों का आनंद लें और समुद्र पार निकल जाएं!