Podczas etapu „utleniania” na powierzchni wafla tworzy się warstwa tlenku (SiO₂). Wafel jest najważniejszym materiałem w procesie produkcji półprzewodników. Warstwa tlenku chroni powierzchnię wafla przed zanieczyszczeniami, a kolejnym krokiem jest zaprojektowanie układu półprzewodnikowego.

Jak wygląda obwód w chipie półprzewodnikowym? Uczmy się razem!

Mikroukłady półprzewodnikowe zawierają tysiące, a nawet miliony elementów elektronicznych (diod, tranzystorów, kondensatorów i rezystorów). Jak powstają te półprzewodnikowe układy scalone? Przyjrzyjmy się najpierw historii rozwoju półprzewodników.

Tranzystory: początek rewolucji elektronicznej

W 1947 roku naukowcy z Bell Laboratories, centralnej placówki badawczej największej firmy telekomunikacyjnej w Stanach Zjednoczonych, American Telephone and Telegraph (AT&T), wynaleźli tranzystor. Wynalazek ten był początkowo nazywany „wzmacniaczem”, a później przemianowany na tranzystor.

Tranzystory szybko stały się podstawowymi komponentami produktów elektronicznych. Jednak wraz z postępem technologicznym, produkty elektroniczne zaczęły zyskiwać coraz więcej funkcji. Doprowadziło to do wykładniczego wzrostu liczby komponentów wymagających połączenia, od tranzystorów i rezystorów po diody i kondensatory. Te punkty styku stały się również przyczyną większości awarii produktów.

W 1958 roku inżynier Jack Kilby z Texas Instruments (TI) opracował rozwiązanie. Złożone komponenty elektroniczne byłyby miniaturyzowane, a następnie drukowane jako obwody na małej powierzchni. Obwody te byłyby ułożone jeden na drugim, tworząc układy scalone (IC).

Układy scalone (IC): rewolucja w elektronice

Tranzystory, rezystory, diody i kondensatory, z których składają się układy scalone półprzewodnikowe (IC), są ze sobą połączone w celu obliczania i przechowywania sygnałów elektrycznych.

Przyjrzyjmy się bliżej funkcji każdej klasy komponentów. Tranzystory działają jak przełączniki, otwierając i zamykając zasilanie, podczas gdy kondensatory gromadzą i przechowują ładunki. Rezystory regulują prąd, a diody zapewniają jednorodność sygnału.

Półprzewodnikowe układy scalone są wytwarzane poprzez integrację wszystkich elementów obwodów w skomplikowane i złożone wielowarstwowe wzory. Tych skomplikowanych obwodów nie da się narysować ręcznie, dlatego stosuje się metodę podobną do wywoływania obrazów fotograficznych.

Rozwój układów scalonych pobudził rozwój przemysłu półprzewodników. Odejście od ręcznego łączenia poszczególnych komponentów z obwodami scalonymi oznaczało mniejsze wymiary produktu i mniejsze zużycie energii, przy jednoczesnym szybszym przetwarzaniu danych. Zastosowanie technologii fotolitografii oznaczało, że półprzewodnikowe układy scalone były niezawodne i przydatne w produkcji na dużą skalę.

W latach 1960. XX wieku nieżyjący już inżynier koreańskiego pochodzenia z Bell Labs, dr Dawon Kahng, i Martin Atalla opracowali tranzystor polowy MOS-FET (metal-tlenek-półprzewodnik). To właśnie wtedy układy scalone zaczęły naprawdę się rozwijać.

MOS-FET rozwiązał ograniczenia tradycyjnych tranzystorów ze złączem bipolarnym, które były trudne w produkcji i zużywały dużo energii.

W ciągu 60 lat półprzewodniki ewoluowały od tranzystorów do układów scalonych i tranzystorów MOS-FET. Dalsze innowacje w przyszłości są ekscytujące i wyczekiwane. 

W następnym artykule przedstawimy, jak te misternie zaprojektowane obwody są rysowane na płytkach za pomocą procesów trawienia.