نیمه‌هادی‌ها، ما در حال حاضر بحث‌های زیادی در مورد مواد، دستگاه‌ها، سرمایه‌گذاری و غیره داریم. هر موضوع تمرکز متفاوتی دارد. این مواد چیزی بیش از مواد نیمه‌هادی نسل سوم با شکاف باند وسیع نیستند؛ دستگاه‌ها عمدتاً MOS، HEML و غیره هستند که بر اساس مواد WBG ساخته شده‌اند، که قبلاً در مورد آنها صحبت کرده‌ایم. من وارد جزئیات مربوط به سرمایه‌گذاری، روندهای صنعت، اطلاعات شرکت‌ها، بازار سهام و غیره نمی‌شوم. امروز قرار است در مورد تاریخچه صنعت نیمه‌هادی صحبت کنیم و در مورد ریشه‌های صنعت نیمه‌هادی اطلاعات کسب کنیم.    
           

تریودهای خلاء "مشکل ایجاد می‌کنند"

صحبت از تریود خلاء شد، این تریود در سال ۱۹۰۶ توسط لی دیفورست اختراع شد و ساخت لوازم الکترونیکی مصرفی مانند رادیو و تلویزیون را ممکن ساخت. همچنین مغز اولین کامپیوتر الکترونیکی جهان بود. این تریود مساحتی نزدیک به ۱۴۰ متر مربع را اشغال می‌کرد و ۳۰ تن وزن داشت. در آن از نزدیک به ۱۹۰۰۰ لامپ خلاء و هزاران مقاومت و خازن استفاده شده بود. تریود خلاء از یک شبکه و دو الکترود تشکیل شده است که توسط شبکه در یک فضای شیشه‌ای مهر و موم شده از هم جدا شده‌اند. داخل فضای مهر و موم شده خلاء است که از سوختن قطعات جلوگیری می‌کند و حرکت آزاد الکترون‌ها را تسهیل می‌کند.  
   
این قطعه دو عملکرد اصلی دارد: سوئیچینگ و تقویت. سوئیچینگ به روشن و خاموش کردن جریان اشاره دارد و تقویت به تقویت جریان یا سیگنال‌های کوچک ضمن حفظ عملکردهای مشخصه اصلی سیگنال اشاره دارد. با این حال، یک سری معایب مانند اندازه بزرگ، شل شدن آسان اتصال، طول عمر کوتاه و فرسودگی سریع نیز وجود دارد.  
این سری از کاستی‌ها منجر به توسعه یا جایگزینی اجتناب‌ناپذیر آن شد. در سال ۱۹۴۹، جان باردین، والتر براتین و ویلیام شاکلی از آزمایشگاه‌های بل، تقویت‌کننده الکترونیکی ساخته شده از ماده نیمه‌هادی ژرمانیوم را اختراع کردند که اولین ترانزیستور نسل بود (این سه دانشمند در سال ۱۹۵۶ جایزه نوبل فیزیک را برنده شدند). ترانزیستور در ابتدا "مقاومت انتقال" نامیده می‌شد و بعداً به ترانزیستور تغییر نام داد.  
   
این نوع ترانزیستور شامل عملکردهای یک لامپ خلاء است و حالت جامد است، خلاء ندارد، از مزایای اندازه کوچک، وزن سبک، مصرف کم برق و عمر طولانی برخوردار است. از آن زمان، ما وارد "عصر حالت جامد" شده‌ایم، که تاکنون بیشترین چیزی است که دیده‌ایم.  
پیشرفت از اولین ترانزیستور تا بسیاری از دستگاه‌های الکترونیک قدرت فعلی ما، منجر به توسعه سریع فناوری الکترونیک قدرت شده است. این دستگاه‌ها عموماً به عنوان دستگاه‌های گسسته شناخته می‌شوند، یعنی هر تراشه فقط شامل یک جزء است. یکی دیگر از دستگاه‌های مرتبط با نیمه‌هادی که قبلاً به آن اشاره نکرده‌ایم، مدارهای مجتمع هستند.      
       

مدار مجتمع

مدار مجتمع (مدار مجتمع) یک دستگاه میکروالکترونیکی است که از یک فرآیند خاص برای اتصال ترانزیستورها، مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها و سایر قطعات و سیم‌کشی مورد نیاز در یک مدار روی یک بستر نیمه‌هادی استفاده می‌کند و سپس آن را در یک پوسته لوله‌ای محصور می‌کند تا یک ریزساختار با عملکردهای مدار مورد نیاز تشکیل شود.  
اولین مدار مجتمع توسط جک کیلبی از شرکت تگزاس اینسترومنتس اختراع شد، اما به شکل مدار مجتمع امروزی نبود.  
در ابتدا توسط سیم‌های جداگانه متصل می‌شد، اما پیش از آن، ژان هورنی از شرکت Fairchild Camera یک فرآیند تولید مسطح را توسعه داده بود که اتصالات الکترونیکی را روی سطح تراشه برای ساخت ترانزیستورها تشکیل می‌داد و از سهولت تشکیل اکسید سیلیکون عایق بهره می‌برد. سپس رابرت نویس این فناوری را برای اتصال دستگاه‌های گسسته از پیش تشکیل شده روی سطح سیلیکون به کار برد و در نهایت الگویی را که توسط همه مدارهای مجتمع استفاده می‌شود، تشکیل داد.  
         

صنایع دستی و روندها

از سال ۱۹۴۷، صنعت نیمه‌هادی شروع به بهبود و توسعه فناوری کرد و امروزه نیز در حال توسعه است. بهبود فرآیند را می‌توان به دو دسته فرآیند و ساختار نسبت داد.  
بهبود فرآیند: تولید دستگاه‌ها و مدارها در اندازه‌های کوچک‌تر، که به آنها امکان می‌دهد چگالی بالاتر، تعداد بیشتر و قابلیت اطمینان بالاتری داشته باشند.  
پیشرفت‌های ساختاری: اختراعات در طراحی‌های جدید دستگاه‌ها، عملکرد بهتر، کنترل بهتر مصرف انرژی و قابلیت اطمینان بالاتر را امکان‌پذیر می‌سازد.  
اثرات ناشی از این دو بهبود را می‌توان به خوبی از تاریخچه توسعه چندین نسل از IGBT درک کرد. البته بسیاری از عواملی که قبلاً به آنها اشاره کردیم، مانند برخی نقص‌ها در فرآیند تجهیزات و غیره، می‌توانند به بهبود فرآیند نسبت داده شوند.  
اندازه و تعداد دستگاه‌ها در مدارهای مجتمع دو نشانه رایج توسعه IC هستند. اندازه دستگاه با کوچکترین اندازه در طراحی بیان می‌شود که ما آن را اندازه الگوی ویژگی می‌نامیم. توسعه از مدارهای مجتمع در مقیاس کوچک به تراشه‌های میلیونی امروزی، از کاهش اندازه الگوی ویژگی یک جزء واحد بهره‌مند شده است که از پیشرفت چشمگیر فرآیند الگوسازی ماشین فتولیتوگرافی و فناوری سیم‌کشی چند لایه بهره برده است. این موضوع امروزه نیز زیاد مورد بحث قرار می‌گیرد، مانند تراشه‌های ۲۲ نانومتری، ۱۰ نانومتر یا حتی ۷ نانومتر و غیره. یک عبارت حرفه‌ای‌تر، عرض گیت است، یعنی ما عرض بخشی از گیت را کنترل می‌کنیم. ترانزیستورهای کوچکتر و سریعتر و مدارهای با چگالی بالاتر از عرض گیت کوچکتر بهره می‌برند. در مورد این موضوع، باید به اصطلاح "قانون مور" اشاره کنم که مدتی پیش اغلب می‌دیدم. گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، در سال ۱۹۶۵ پیش‌بینی کرد که تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه هر ۱۸ ماه دو برابر می‌شود. پس از سال‌ها تأیید واقعی، این نرخ نسبتاً دقیق است و به مبنایی برای پیش‌بینی چگالی ترانزیستورها روی تراشه‌ها در آینده تبدیل شده است. با توجه به تعداد دستگاه‌های موجود در مدار، یعنی سطح ادغام، می‌توانیم آن را به چندین سطح تقسیم کنیم: ادغام در مقیاس کوچک (SSI): 2 تا 50 واحد در هر تراشه؛ ادغام در مقیاس متوسط ​​(MSI): 50 تا 5000 واحد در هر تراشه؛ ادغام در مقیاس بزرگ (L SI): 5000 تا 100000 قطعه در هر تراشه؛ ادغام در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI): 100000 تا 1000000 قطعه در هر تراشه؛ ادغام در مقیاس بسیار بزرگ (ULSI): >10000000 قطعه در هر تراشه.  
قانون مور در طول زمان بدون محدودیت توسعه نمی‌یابد. این قانون عمدتاً به دلیل محدودیت‌های مواد نیمه‌هادی و آماده‌سازی محدود می‌شود. بنابراین، ما اخباری را خواهیم شنید که نشان می‌دهد سیلیکون ماده نیمه‌هادی به حد نهایی خود نزدیک می‌شود. بنابراین، توسعه مواد جدید و بهبود مداوم تجهیزات و طراحی ضروری است.  
         

اندازه تراشه و ویفر

همه ما می‌دانیم که تراشه‌ها روی ویفرهای نازکی از سیلیکون یا سایر مواد نیمه‌هادی به نام ویفر ساخته می‌شوند.  
 
تولید یک تراشه مستطیلی روی یک ویفر دایره‌ای منجر به باقی ماندن مقداری ناحیه غیرقابل استفاده در لبه ویفر می‌شود. وقتی اندازه تراشه بزرگتر باشد، این نواحی غیرقابل استفاده نیز بزرگتر خواهند بود، بنابراین ویفرهای با اندازه بزرگتر به تدریج مورد استفاده قرار می‌گیرند که باعث "کاهش" اندازه تراشه در ظاهر می‌شود و همچنین راندمان تولید و خروجی را بهبود می‌بخشد. این یکی از دلایلی است که ویفر از 6 اینچ به 8 اینچ و اکنون به 12 اینچ تغییر یافته است.  
اندازه تراشه‌های امروزی کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود، هزینه‌ها کمتر و کمتر می‌شوند و عملکرد آنها بیشتر و بیشتر می‌شود. این به دلیل بهبود فرآیندها و توسعه تجهیزات است که در بالا به آن اشاره کردیم، که منجر به رقابت فزاینده و شدید در صنعت نیمه‌هادی نیز شده است.  
در حال حاضر، تقریباً سه نوع تولیدکننده وجود دارد: تولیدکنندگان یکپارچه دستگاه (IDM): طراحی، تولید، بسته‌بندی و فروش را یکپارچه می‌کنند؛ ریخته‌گری: سایر تأمین‌کنندگان تراشه، تراشه تولید می‌کنند؛ Fabless: فقط مسئول طراحی و فروش تراشه هستند و بیشتر پیوندهای دیگر برون‌سپاری می‌شوند. البته مدل‌های درهم‌تنیده دیگری نیز وجود دارد. در عین حال، بومی‌سازی نیمه‌هادی‌ها منجر به تولیدکنندگان نیمه‌هادی داخلی بیشتر و مدل‌های سازمانی بیشتر و بیشتری شده است.  
         

در پایان بنویسید

در حال حاضر، بومی‌سازی صنعت نیمه‌هادی یک روند است و این نه تنها به تعداد شرکت‌های داخلی، بلکه به این بستگی دارد که چه تعداد شرکت می‌توانند در این محیط آشفته دوام بیاورند. خلاصه اینکه، اگر وقت دارید که بر باد و امواج سوار شوید، بادبان‌های خود را آویزان کنید و از دریا عبور کنید!