Tranzistor na bázi bismutu

Cesta od třídimenzionálního planárního tranzistoru k dvoudimenzionálnímu a odtud zpět do tří dimenzí – k integraci M3D. Narůstající závislost celého světa na čipech je v přímém kontrastu s jejich výrobou, která je velmi soustředěná v tchajwanské firmě TSMC. Ta je producentem více než 90 % logických čipů.¹⁾ Zbytek světa nestíhá Tchaj-wan technologicky dohnat i z důvodu dynamičnosti odvětví. Vědci hledají nové cesty, jak výkonnost čipů posunout ještě dále. Vývoj čipových technologií tak bude mít přímý vliv na to, kdo bude v budoucnu závislý na kom.

Tranzistor, základní stavební kámen moderní elektroniky, je v podstatě miniaturní polovodičový spínač, který řídí tok elektrického proudu. Právě z miliard až stovek miliard těchto mikrospínačů se skládají dnešní čipy, bez nichž by nebyly ani chytré telefony, ani superpočítače. Tranzistory se v nich kombinují do logických členů, stavebních prvků digitálních obvodů, které provádějí operace s binárními vstupy. Základní logické operace jsou např. AND („a“), OR („nebo“) či NOT (negace).

1. Architektura tranzistoru se během času měnila. A. Původní architekturu čipů tvořily planární tranzistory (hradlo a kanál jsou v jedné rovině). B. Technologové však zjistili, že zvednutím kanálu nad rovinu křemíku (podobně jako zvednutá ploutev nad vodou) hradlo obklopuje kanál ze tří stran a lépe řídí proud kanálem. Tyto tranzistory se označují FIN FET . Označení FIN pochází z anglického slova fin pro ploutev. Tato technologie také umožnila umístit na čip více tranzistorů a držet krok s „Moorovým zákonem“. C. Dalším technologickým krokem bylo umístění vodicích kanálů namísto do vertikálních žeber do horizontálních vrstev (stohu) tak, že kanál byl obklopen hradlem ze všech čtyř stran. Tyto tranzistory označujeme GAA FET (z anglického gate all around). Ilustrace zobrazuje vícekanálové uspořádání pro ještě lepší kontrolu proudu kanálem. Zelená vrstva na řezech značí tenkou vrstvu hradlového dielektrika oddělující hradlo od vodivého kanálu.

Klíčovou součástí tranzistoru je polovodičová struktura, jejíž vodivost lze ovládat pomocí řídicí elektrody. Podle povahy nosičů náboje rozlišujeme polovodiče typu N, kde nosičem proudu jsou záporně nabité volné elektrony, a typu P, kde proud přenášejí tzv. díry (prázdná místa po uvolněných elektronech, která se chovají jako kladné náboje). Pokud se na vedení proudu podílí pouze jeden typ nosičů (buď elektrony, nebo díry), mluvíme o unipolárních tranzistorech. Jejich řídicí elektrodě se říká hradlo a napětí na něm řídí proud ve vodivém kanálu. V digitálních technologiích dnes dominují unipolární tranzistory. Oproti nim bipolární tranzistory využívají oba typy nosičů proudu současně a nacházejí využití převážně v analogové a výkonové elektrotechnice.

V roce 1957 přišli nezávisle na sobě Jack Kilby a Robert Noyce s myšlenkou integrovaného obvodu, dnešních čipů. Od roku 1962 do roku 1965 se počet tranzistorů na čipu každý rok zdvojnásoboval, takže ředitel výzkumu a vývoje společnosti Fairchild Gordon E. Moore ve vizionářském úvodníku pro časopis Electronics z extrapolace této závislosti předpověděl, že na jednom centimetru čtverečním čipu by za deset let (do roku 1975) mohl počet tranzistorů dosáhnout – tehdy těžko představitelných – zhruba 10 500. Pro prodloužení a modifikaci této extrapolace se později vžil termín Moorův zákon.²⁾ Technologický vývoj sleduje tuto exponenciální empirickou závislost dosud s tím, že doba pro zdvojnásobení počtu tranzistorů se prodloužila na dva roky (zpomalení ostatně předpokládal i sám Moore).

V průmyslové výrobě čipů se prosadil jako základní materiál křemík. Počet tranzistorů na čipu rostl zejména díky zmenšování jejich rozměrů. Zmenšování rozměrů tranzistoru doprovázelo snižování napětí na hradle a proudu tranzistorem tak, že spotřeba energie na plochu zůstávala konstantní. Nevystačilo se však pouze se zmenšováním rozměrů.