Hvad er en halvleder? En elektrisk ingeniør forklarer, hvordan disse kritiske elektroniske komponenter er lavet

Halvledere er en kritisk del af næsten enhver moderne elektronisk enhed, og langt de fleste halvledere er lavet i Tawain. Stigende bekymringer over afhængigheden af ​​Taiwain for halvledere – især i betragtning af det spinkle forhold mellem Taiwan og Kina – fik den amerikanske kongres til at vedtage CHIPS and Science-loven i slutningen af ​​juli 2022. Loven giver mere end 50 milliarder USD i tilskud til at øge amerikansk halvleder produktion og er blevet bredt dækket i nyhederne. Trevor Thornton, en elektrisk ingeniør, der studerer halvledere, forklarer, hvad disse enheder er, og hvordan de er lavet.

1. Hvad er en halvleder?

Generelt refererer udtrykket halvleder til et materiale - som silicium - der kan lede elektricitet meget bedre end en isolator som glas, men ikke så godt som metaller som kobber eller aluminium. Men når folk taler om halvledere i dag, refererer de normalt til halvlederchips.

Disse chips er typisk lavet af tynde skiver af silicium med komplekse komponenter lagt ud på dem i specifikke mønstre. Disse mønstre styrer strømstrømmen ved hjælp af elektriske kontakter - kaldet transistorer - på nogenlunde samme måde, som du styrer den elektriske strøm i dit hjem ved at dreje en kontakt for at tænde et lys.

Forskellen mellem dit hus og en halvlederchip er, at halvlederkontakter er helt elektriske – ingen mekaniske komponenter at vende – og chipsene indeholder titusinder af kontakter i et område, der ikke er meget større end størrelsen af ​​en fingernegl.

2. Hvad gør halvledere?

Halvledere er, hvordan elektroniske enheder behandler, lagrer og modtager information. For eksempel lagrer hukommelseschips data og software som binær kode, digitale chips manipulerer dataene baseret på softwareinstruktionerne, og trådløse chips modtager data fra højfrekvente radiosendere og konverterer dem til elektriske signaler. Disse forskellige chips arbejder sammen under kontrol af software. Forskellige softwareapplikationer udfører meget forskellige opgaver, men de fungerer alle ved at skifte de transistorer, der styrer strømmen.

3. Hvordan bygger man en halvlederchip?

Udgangspunktet for langt de fleste halvledere er en tynd skive silicium kaldet en wafer. Dagens oblater er på størrelse med middagstallerkener og er skåret af enkelt siliciumkrystaller. Producenter tilføjer elementer som fosfor og bor i et tyndt lag på overfladen af ​​silicium for at øge chippens ledningsevne. Det er i dette overfladelag, hvor transistorkontakterne er lavet.

Transistorerne er bygget ved at tilføje tynde lag af ledende metaller, isolatorer og mere silicium til hele waferen, skitsere mønstre på disse lag ved hjælp af en kompliceret proces kaldet litografi og derefter selektivt fjerne disse lag ved hjælp af computerstyrede plasmaer af meget reaktive gasser for at forlade dem. specifikke mønstre og strukturer. Fordi transistorerne er så små, er det meget nemmere at tilføje materialer i lag og derefter forsigtigt fjerne uønsket materiale, end det er at placere mikroskopisk tynde linjer af metal eller isolatorer direkte på chippen. Ved at deponere, mønstre og ætse lag af forskellige materialer snesevis af gange, kan halvlederproducenter skabe chips med titusindvis af milliarder af transistorer pr. kvadrattomme.

4. Hvordan er chips i dag anderledes end de tidlige chips?

Der er mange forskelle, men den vigtigste er nok stigningen i antallet af transistorer pr. chip.

Blandt de tidligste kommercielle applikationer til halvlederchips var lommeregnere, som blev bredt tilgængelige i 1970'erne. Disse tidlige chips indeholdt et par tusinde transistorer. I 1989 introducerede Intel de første halvledere, der oversteg en million transistorer på en enkelt chip. I dag indeholder de største chips mere end 50 milliarder transistorer. Denne tendens er beskrevet af det, der er kendt som Moores lov, som siger, at antallet af transistorer på en chip vil fordobles cirka hver 18. måned.

Moores lov har holdt stand i fem årtier. Men i de seneste år har halvlederindustrien været nødt til at overvinde store udfordringer – hovedsageligt, hvordan man fortsætter med at formindske størrelsen af ​​transistorer – for at fortsætte dette fremskridtstempo.

En løsning var at skifte fra flade, todimensionelle lag til tredimensionelle lagdelinger med finneformede kamme af silicium, der rager op over overfladen. Disse 3D-chips øgede markant antallet af transistorer på en chip og er nu i udbredt brug, men de er også meget sværere at fremstille.

5. Kræver mere komplicerede chips mere sofistikerede fabrikker?

Kort sagt, ja, jo mere kompliceret chippen er, jo mere kompliceret – og dyrere – er fabrikken.

Der var engang, hvor næsten alle amerikanske halvledervirksomheder byggede og vedligeholdt sine egne fabrikker. Men i dag kan et nyt støberi koste mere end 10 milliarder dollars at bygge. Kun de største virksomheder har råd til den slags investeringer. I stedet sender størstedelen af ​​halvledervirksomheder deres design til uafhængige støberier til fremstilling. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. og GlobalFoundries, med hovedkontor i New York, er to eksempler på multinationale støberier, der bygger chips til andre virksomheder. De har ekspertisen og stordriftsfordelene til at investere i den enormt dyre teknologi, der kræves for at producere næste generations halvledere.

Ironisk nok, mens transistoren og halvlederchippen blev opfundet i USA, er der i øjeblikket ingen topmoderne halvlederstøberier på amerikansk jord. USA har været her før i 1980'erne, da der var bekymring for, at Japan ville dominere den globale hukommelsesvirksomhed. Men med den nyligt vedtagne CHIPS-lov har Kongressen givet incitamenter og muligheder for, at næste generations halvledere kan fremstilles i USA

Måske vil chipsene i din næste iPhone blive "designet af Apple i Californien, bygget i USA." + Udforsk yderligere

Afhjælpning af mikrochipmangel

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.