Półprzewodniki – obecnie dużo dyskutujemy o materiałach, urządzeniach, inwestycjach itp. Każdy temat ma inny zakres. Materiały to nic innego jak materiały półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej trzeciej generacji; urządzenia to głównie MOS, HEML itp. oparte na materiałach WBG, o których mówiliśmy wcześniej; nie będę się zagłębiał w szczegóły dotyczące inwestycji, trendów branżowych, informacji korporacyjnych, rynku akcji itp. Dzisiaj porozmawiamy o historii przemysłu półprzewodnikowego i poznamy jego początki.    
           

Triody próżniowe „prowokują kłopoty”

Trioda próżniowa została wynaleziona przez Lee Deforesta w 1906 roku, umożliwiając powstanie elektroniki użytkowej, takiej jak radia i telewizory. Była również mózgiem pierwszego na świecie komputera elektronicznego. Zajmowała powierzchnię prawie 140 metrów kwadratowych i ważyła 30 ton. Wykorzystywała prawie 19 000 lamp próżniowych oraz tysiące rezystorów i kondensatorów. Trioda próżniowa składa się z siatki i dwóch elektrod oddzielonych siatką w szklanej, uszczelnionej przestrzeni. Wewnątrz tej uszczelnionej przestrzeni panuje próżnia, która zapobiega spalaniu się elementów i ułatwia swobodny przepływ elektronów.  
   
Pełni dwie główne funkcje: przełączanie i wzmacnianie. Przełączanie oznacza włączanie i wyłączanie prądu, a wzmacnianie oznacza wzmacnianie prądu lub małych sygnałów przy zachowaniu pierwotnych, charakterystycznych funkcji sygnału. Istnieje jednak szereg wad, takich jak duże rozmiary, łatwe rozłączanie połączeń, krótka żywotność i szybkie starzenie się.  
Ta seria niedociągnięć doprowadziła do nieuchronnego rozwoju lub zastąpienia tranzystora. W 1949 roku John Bardeen, Walter Brattin i William z Bell Labs, Shockleyowie (William Shockley), wynaleźli wzmacniacz elektroniczny wykonany z półprzewodnika germanu, który był tranzystorem pierwszej generacji (ci trzej naukowcy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1956 roku). Tranzystor pierwotnie nazywano „rezystorem transmisyjnym”, a później przemianowano go na tranzystor.  
   
Ten rodzaj tranzystora łączy w sobie funkcje lampy próżniowej i jest półprzewodnikowy, nie wymaga próżni, a jego zaletami są niewielkie rozmiary, niewielka waga, niskie zużycie energii i długa żywotność. Od tego czasu wkroczyliśmy w „erę półprzewodników”, której jak dotąd jesteśmy świadkami najczęściej.  
Rozwój od pierwszego tranzystora do wielu współczesnych urządzeń elektroniki mocy doprowadził do szybkiego rozwoju technologii elektroniki mocy. Urządzenia te są zazwyczaj określane jako urządzenia dyskretne, co oznacza, że ​​każdy układ scalony zawiera tylko jeden element. Innym urządzeniem półprzewodnikowym, o którym wcześniej nie wspominaliśmy, są układy scalone.      
       

układ scalony

Układ scalony (Integrated circuit) to mikrourządzenie elektroniczne, które wykorzystuje pewien proces do łączenia tranzystorów, rezystorów, kondensatorów, cewek indukcyjnych i innych elementów oraz okablowania niezbędnych w obwodzie na podłożu półprzewodnikowym, a następnie zamyka je w obudowie rurowej, tworząc mikrostrukturę z wymaganymi funkcjami układu.  
Pierwszy układ scalony został wynaleziony przez Jacka Kilby'ego z Texas Instruments, nie miał on jednak formy współczesnych układów scalonych.  
Początkowo łączono je oddzielnymi przewodami, ale wcześniej Jean Horni z Fairchild Camera opracował planarny proces produkcyjny, który formował złącza elektroniczne na powierzchni układu scalonego, tworząc tranzystory, wykorzystując łatwość tworzenia izolatora z tlenku krzemu w krzemie. Robert Noyce zastosował następnie tę technologię do łączenia dyskretnych elementów wykonanych na powierzchni krzemu, tworząc ostatecznie wzór stosowany we wszystkich układach scalonych.  
         

Rzemiosło i trendy

Od 1947 roku przemysł półprzewodników zaczął się doskonalić i rozwijać technologicznie, i nadal się rozwija. Ulepszenia procesów można przypisać dwóm kategoriom: procesowi i strukturze.  
Usprawnianie procesów: Produkcja urządzeń i obwodów w mniejszych rozmiarach, co pozwala na uzyskanie większej gęstości, ilości i niezawodności.  
Ulepszenia strukturalne: Wynalazki w nowych projektach urządzeń umożliwiają lepszą wydajność, lepszą kontrolę zużycia energii i większą niezawodność.  
Efekty tych dwóch ulepszeń można dobrze zrozumieć, analizując historię rozwoju kilku generacji tranzystorów IGBT. Oczywiście wiele czynników, o których wspomnieliśmy wcześniej, takich jak pewne wady w procesie produkcji sprzętu itp., można przypisać udoskonaleniom procesowym.  
Rozmiar i liczba elementów w układach scalonych to dwa typowe wskaźniki rozwoju układów scalonych. Rozmiar urządzenia wyraża się najmniejszym rozmiarem w projekcie, który nazywamy rozmiarem wzoru cech. Rozwój od układów scalonych małej skali do dzisiejszych milionów chipów nastąpił dzięki zmniejszeniu rozmiaru wzoru cech pojedynczego komponentu, co było możliwe dzięki znacznemu udoskonaleniu procesu fotolitografii i technologii okablowania wielowarstwowego. Obecnie również często się o tym mówi, na przykład o układach 22 nm, 10 nm, a nawet 7 nm itd. Bardziej profesjonalnym określeniem jest szerokość bramki, co oznacza, że ​​kontrolujemy szerokość części bramki. Mniejsze i szybsze tranzystory oraz układy o wyższej gęstości korzystają z mniejszych szerokości bramek. Skoro o tym mowa, muszę wspomnieć o terminie „prawo Moore’a”, z którym często się spotykałem jakiś czas temu. Gordon Moore, jeden z założycieli Intela, przewidział w 1965 roku, że liczba tranzystorów w chipie będzie się podwajać co 18 miesięcy. Po latach faktycznej weryfikacji, wskaźnik ten jest stosunkowo dokładny i stał się podstawą do przewidywania gęstości tranzystorów na chipach w przyszłości. W zależności od liczby elementów w układzie, czyli stopnia integracji, możemy go podzielić na kilka poziomów: integracja małej skali (SSI): 2–50 jednostek/chip; integracja średniej skali (MSI): 50–5000 jednostek/chip; integracja dużej skali (L SI): 5000–100 000 elementów/chip; integracja bardzo dużej skali (VLSI): 100 000–100 000 elementów/chip; integracja bardzo dużej skali (ULSI): >100 000 elementów/chip.  
Prawo Moore'a nie rozwija się bez ograniczeń w czasie. Jest ono ograniczone głównie przez ograniczenia materiałów półprzewodnikowych i ich przygotowania. Dlatego też słyszymy, że krzem, materiał półprzewodnikowy, zbliża się do swoich granic. W związku z tym konieczne jest opracowywanie nowych materiałów oraz ciągłe ulepszanie sprzętu i konstrukcji.  
         

Rozmiar chipa i wafla

Wszyscy wiemy, że układy scalone powstają na cienkich płytkach krzemowych lub innych materiałach półprzewodnikowych, zwanych płytkami.  
 
Produkcja prostokątnego układu scalonego na okrągłym waflu powoduje, że na krawędzi wafla pozostaje pewien niewykorzystany obszar. Wraz ze wzrostem rozmiaru układu scalonego, te niewykorzystane obszary również się powiększają, dlatego stopniowo wprowadzane są wafle o większych rozmiarach, co „zmniejsza” rozmiar układu scalonego, a jednocześnie poprawia wydajność i wydajność produkcji. To jeden z powodów, dla których średnica wafla zmieniła się z 6 cali na 8 cali, a teraz na 12 cali.  
Rozmiary dzisiejszych chipów są coraz mniejsze, koszty maleją, a wydajność rośnie. Jest to zasługą udoskonaleń procesów i rozwoju sprzętu, o których wspomnieliśmy wcześniej, co również doprowadziło do zaostrzenia konkurencji w branży półprzewodników.  
Obecnie istnieją trzy główne typy producentów: producenci urządzeń zintegrowanych (IDM): integrujący projektowanie, produkcję, pakowanie i sprzedaż; producenci odlewni: inni dostawcy układów scalonych produkują układy scalone; producenci bezobsługowi (Fabless): odpowiedzialni jedynie za projektowanie i sprzedaż układów scalonych, a większość pozostałych ogniw jest zlecana na zewnątrz. Oczywiście istnieją również inne modele oparte na przeplotach. Jednocześnie lokalizacja półprzewodników doprowadziła do powstania coraz większej liczby krajowych producentów półprzewodników i coraz większej liczby modeli korporacyjnych.  
         

napisz na końcu

Na razie lokalizacja przemysłu półprzewodnikowego jest trendem, a to zależy nie tylko od liczby firm krajowych, ale także od tego, ile z nich przetrwa w tym burzliwym otoczeniu. Krótko mówiąc, jeśli masz czas, by płynąć z wiatrem i falami, odwieś żagle i popłyń po morzu!