Τι είναι ο ημιαγωγός; Ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός εξηγεί πώς λειτουργούν αυτά τα κρίσιμα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και πώς κατασκευάζονται

Οι ημιαγωγοί αποτελούν κρίσιμο μέρος σχεδόν κάθε σύγχρονης ηλεκτρονικής συσκευής και η συντριπτική πλειοψηφία των ημιαγωγών κατασκευάζεται στο Tawain. Οι αυξανόμενες ανησυχίες σχετικά με την εξάρτηση από την Ταϊβάιν για ημιαγωγούς –ειδικά δεδομένης της στενής σχέσης μεταξύ Ταϊβάν και Κίνας– οδήγησε το Κογκρέσο των ΗΠΑ να εγκρίνει τον νόμο CHIPS και Science στα τέλη Ιουλίου 2022. Ο νόμος παρέχει περισσότερα από 50 δισεκατομμύρια δολάρια σε επιδοτήσεις για την ενίσχυση των ημιαγωγών των ΗΠΑ παραγωγής και έχει καλυφθεί ευρέως στις ειδήσεις. Ο Trevor Thornton, ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός που μελετά τους ημιαγωγούς, εξηγεί τι είναι αυτές οι συσκευές και πώς κατασκευάζονται.

Δύο γυαλιστεροί μαύροι δίσκοι.
Λεπτές, στρογγυλές φέτες κρυστάλλων πυριτίου, που ονομάζονται γκοφρέτες, είναι το σημείο εκκίνησης για τα περισσότερα τσιπ ημιαγωγών.
Hebbe/Wikimedia Commons

1. Τι είναι ο ημιαγωγός;

Σε γενικές γραμμές, ο όρος ημιαγωγός αναφέρεται σε ένα υλικό – όπως το πυρίτιο – που μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό πολύ καλύτερα από έναν μονωτή όπως το γυαλί, αλλά όχι τόσο καλά από μέταλλα όπως ο χαλκός ή το αλουμίνιο. Αλλά όταν οι άνθρωποι μιλούν για ημιαγωγούς σήμερα, συνήθως αναφέρονται σε τσιπ ημιαγωγών.

Αυτά τα τσιπ συνήθως κατασκευάζονται από λεπτές φέτες πυριτίου με πολύπλοκα συστατικά τοποθετημένα πάνω τους σε συγκεκριμένα σχέδια. Αυτά τα μοτίβα ελέγχουν τη ροή του ρεύματος χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς διακόπτες – που ονομάζονται τρανζίστορ – με τον ίδιο τρόπο που ελέγχετε το ηλεκτρικό ρεύμα στο σπίτι σας γυρίζοντας έναν διακόπτη για να ανάψετε ένα φως.

Η διαφορά ανάμεσα στο σπίτι σας και ένα τσιπ ημιαγωγών είναι ότι οι διακόπτες ημιαγωγών είναι εξ ολοκλήρου ηλεκτρικοί –χωρίς μηχανικά εξαρτήματα για ανατροπή– και τα τσιπ περιέχουν δεκάδες δισεκατομμύρια διακόπτες σε μια περιοχή όχι πολύ μεγαλύτερη από το μέγεθος ενός νυχιού.

2. Τι κάνουν οι ημιαγωγοί;

Οι ημιαγωγοί είναι ο τρόπος με τον οποίο οι ηλεκτρονικές συσκευές επεξεργάζονται, αποθηκεύουν και λαμβάνουν πληροφορίες. Για παράδειγμα, τα τσιπ μνήμης αποθηκεύουν δεδομένα και λογισμικό ως δυαδικό κώδικα, τα ψηφιακά τσιπ χειρίζονται τα δεδομένα με βάση τις οδηγίες του λογισμικού και τα ασύρματα τσιπ λαμβάνουν δεδομένα από ραδιοπομπούς υψηλής συχνότητας και τα μετατρέπουν σε ηλεκτρικά σήματα. Αυτά τα διαφορετικά τσιπ συνεργάζονται υπό τον έλεγχο του λογισμικού. Διαφορετικές εφαρμογές λογισμικού εκτελούν πολύ διαφορετικές εργασίες, αλλά όλες λειτουργούν με την εναλλαγή των τρανζίστορ που ελέγχουν το ρεύμα.

Ένα διάγραμμα που δείχνει περισσότερα από δώδεκα στρώματα υλικού.
Αυτό το σχηματικό σχήμα ενός τσιπ ημιαγωγού δείχνει πολλά διαφορετικά υλικά σε διαφορετικά χρώματα και την περίπλοκη στρώση που εμπλέκεται στην παραγωγή ενός σύγχρονου τσιπ.
Cepheiden/Wikimedia Commons, CC BY

3. Πώς κατασκευάζετε ένα τσιπ ημιαγωγών;

Το σημείο εκκίνησης για τη συντριπτική πλειοψηφία των ημιαγωγών είναι μια λεπτή φέτα πυριτίου που ονομάζεται γκοφρέτα. Οι σημερινές γκοφρέτες έχουν το μέγεθος των πιάτων δείπνου και είναι κομμένες από μονούς κρυστάλλους πυριτίου. Οι κατασκευαστές προσθέτουν στοιχεία όπως φώσφορο και βόριο σε ένα λεπτό στρώμα στην επιφάνεια του πυριτίου για να αυξήσουν την αγωγιμότητα του τσιπ. Σε αυτό το επιφανειακό στρώμα γίνονται οι διακόπτες τρανζίστορ.

Τα τρανζίστορ κατασκευάζονται με την προσθήκη λεπτών στρωμάτων αγώγιμων μετάλλων, μονωτών και περισσότερου πυριτίου σε ολόκληρο το πλακίδιο, σκιαγραφώντας σχέδια σε αυτά τα στρώματα χρησιμοποιώντας μια περίπλοκη διαδικασία που ονομάζεται λιθογραφία και στη συνέχεια αφαιρώντας επιλεκτικά αυτά τα στρώματα χρησιμοποιώντας ελεγχόμενα από υπολογιστή πλάσματα αερίων υψηλής αντίδρασης για να φύγουν συγκεκριμένα σχέδια και δομές. Επειδή τα τρανζίστορ είναι τόσο μικρά, είναι πολύ πιο εύκολο να προσθέσετε υλικά σε στρώματα και στη συνέχεια να αφαιρέσετε προσεκτικά το ανεπιθύμητο υλικό παρά να τοποθετήσετε μικροσκοπικά λεπτές γραμμές μετάλλου ή μονωτών απευθείας πάνω στο τσιπ. Με την εναπόθεση, τη διαμόρφωση και τη χάραξη στρώσεων διαφορετικών υλικών δεκάδες φορές, οι κατασκευαστές ημιαγωγών μπορούν να δημιουργήσουν τσιπ με δεκάδες δισεκατομμύρια τρανζίστορ ανά τετραγωνική ίντσα.

4. Πώς διαφέρουν οι μάρκες σήμερα από τις πρώτες μάρκες;

Υπάρχουν πολλές διαφορές, αλλά η πιο σημαντική είναι ίσως η αύξηση του αριθμού των τρανζίστορ ανά τσιπ.

Μεταξύ των αρχαιότερων εμπορικών εφαρμογών για τσιπ ημιαγωγών ήταν οι αριθμομηχανές τσέπης, οι οποίες έγιναν ευρέως διαθέσιμες τη δεκαετία του 1970. Αυτά τα πρώτα τσιπ περιείχαν μερικές χιλιάδες τρανζίστορ. Το 1989 η Intel παρουσίασε τους πρώτους ημιαγωγούς που ξεπέρασαν το ένα εκατομμύριο τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ. Σήμερα, τα μεγαλύτερα τσιπ περιέχουν περισσότερα από 50 δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Αυτή η τάση περιγράφεται από αυτό που είναι γνωστό ως νόμος του Moore, ο οποίος λέει ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα τσιπ θα διπλασιάζεται περίπου κάθε 18 μήνες.

Ο νόμος του Μουρ αντέχει εδώ και πέντε δεκαετίες. Όμως τα τελευταία χρόνια, η βιομηχανία ημιαγωγών χρειάστηκε να ξεπεράσει μεγάλες προκλήσεις – κυρίως, πώς να συνεχίσει να συρρικνώνει το μέγεθος των τρανζίστορ – για να συνεχίσει αυτόν τον ρυθμό προόδου.

Μια λύση ήταν η μετάβαση από επίπεδες, δισδιάστατες στρώσεις σε τρισδιάστατες στρώσεις με ράχες πυριτίου σε σχήμα πτερυγίου που προεξέχουν πάνω από την επιφάνεια. Αυτά τα τρισδιάστατα τσιπ αύξησαν σημαντικά τον αριθμό των τρανζίστορ σε ένα τσιπ και είναι πλέον σε ευρεία χρήση, αλλά είναι επίσης πολύ πιο δύσκολο να κατασκευαστούν.

5. Τα πιο περίπλοκα τσιπ απαιτούν πιο εξελιγμένα εργοστάσια;

Με απλά λόγια, ναι, όσο πιο περίπλοκο είναι το τσιπ, τόσο πιο περίπλοκο – και πιο δαπανηρό – το εργοστάσιο.

Υπήρξε μια εποχή που σχεδόν κάθε αμερικανική εταιρεία ημιαγωγών κατασκεύαζε και διατηρούσε τα δικά της εργοστάσια. Αλλά σήμερα, ένα νέο χυτήριο μπορεί να κοστίσει περισσότερα από 10 δισεκατομμύρια δολάρια για την κατασκευή. Μόνο οι μεγαλύτερες εταιρείες μπορούν να αντέξουν οικονομικά αυτού του είδους τις επενδύσεις. Αντίθετα, η πλειονότητα των εταιρειών ημιαγωγών στέλνουν τα σχέδιά τους σε ανεξάρτητα χυτήρια για κατασκευή. Η Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. και η GlobalFoundries, με έδρα τη Νέα Υόρκη, είναι δύο παραδείγματα πολυεθνικών χυτηρίων που κατασκευάζουν τσιπ για άλλες εταιρείες. Έχουν την τεχνογνωσία και τις οικονομίες κλίμακας για να επενδύσουν στην εξαιρετικά ακριβή τεχνολογία που απαιτείται για την παραγωγή ημιαγωγών επόμενης γενιάς.

Κατά ειρωνικό τρόπο, ενώ το τρανζίστορ και το τσιπ ημιαγωγών εφευρέθηκαν στις ΗΠΑ, κανένα υπερσύγχρονο χυτήριο ημιαγωγών δεν βρίσκεται επί του παρόντος σε αμερικανικό έδαφος. Οι ΗΠΑ ήταν εδώ στο παρελθόν τη δεκαετία του 1980, όταν υπήρχαν ανησυχίες ότι η Ιαπωνία θα κυριαρχούσε στην παγκόσμια επιχείρηση μνήμης. Όμως, με τον πρόσφατα ψηφισμένο νόμο για τα CHIPS, το Κογκρέσο παρείχε τα κίνητρα και τις ευκαιρίες για ημιαγωγούς επόμενης γενιάς που θα κατασκευαστούν στις ΗΠΑ

Ίσως τα τσιπ στο επόμενο iPhone σας να «σχεδιαστούν από την Apple στην Καλιφόρνια, που κατασκευάστηκε στις ΗΠΑ».

Author: admin

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.