Bugün kullandığımız teknolojik cihazların en küçük bileşeni diyebileceğimiz, bilim ve mühendislik tarihinin en iyi icatlarından biri olarak kabul edilen transistörleri mercek altına yatırıyoruz. Bazen bahsediyor olsak da bu minik elektronik parçaların ne işe yaradığını, nasıl çalıştığını, çiplerde nasıl kullanıldığını detaylıca ele almamıştık.
Transistörler, günümüzde kullandığımız elektronik aygıtların çalışmasını sağlayan “anahtar” bileşen olarak kabul edilir. Elektrik akımını veya gerilimleri iletmek/yalıtmak için kullanılan yarı iletken cihaz türlerinden biridir. Başka bir deyişle, elektronik sinyalleri ve elektrik gücünü yükseltebilen, değiştirebilen en temel elektronik parçadır diyebiliriz. Kendisine uygulanan voltaja bağlı olarak terminalleri arasındaki akımın akışını kontrol eden yarı iletkenlerden söz ediyoruz. Basit bir ifadeyle, küçük bir elektronik anahtar veya bir amplifikatör görevi görür.
Transistörler olmasaydı her türlü teknolojik aygıtta gördüğünüz çipler de olmazdı. Buyurun elektronik ve teknoloji dediğimizde akıllara gelen “en temel bileşene” daha yakından bakalım.
Elektronik cihazların temel yapı taşı olan transistörler, elektronik sinyalleri ve elektrik gücünü yükselten veya değiştiren yarı iletkenlerdir. Bilgisayarlar, akıllı telefonlar ve dijital saatler de dahil olmak üzere neredeyse elektronik cihazların tümünde yer alan en önemli temel bileşen.
Transistör dediğimiz iletkenlerin modern elektronikteki önemi çok büyük ki şu sözleri tekrar hatırlatalım: Bilim ve mühendislik tarihinin en iyi icatlarından biri olarak kabul görüyor. Teknolojide devrim yaratılırken elektronik cihazların minyatürleştirilmesi sağlandı, dolayısıyla daha küçük, daha hızlı ve enerji verimliliği yüksek ürünler üretmek hayal olmaktan çıktı.
Tüm dijital cihazların kalbi olan entegre devrelerin işlevselliğini sağlayan transistörler sayesinde sayısız cihaz geliştirildi. Radyo ve televizyonlardan bilgisayarlara ve cep telefonlarına kadar, bu küçük parçalar günlük yaşamlarımız üzerinde önemli bir etki yarattı. Ayrıca mikroişlemciler, dijital sinyal işleme ve veri depolamanın geliştirilmesini sağlayarak teknolojinin ilerlemesinde de çok önemli bir rol oynuyor.
Transistörler dijital çağı mümkün kılmıştır desek yeridir. Onlar olmasaydı, bugün keyfini çıkardığımız teknolojik ilerlemeler mümkün olmazdı. Hatta belki avcunuza sığan akıllı telefonunuzda veya güçlü bilgisayarınızda bu kelimeleri okumuyor olacaktınız. Bu nedenle modern teknolojiye hakim olabilmek için transistörlerin nasıl çalıştığını ve elektronikteki rollerini anlamak gerek.
Bir transistör kendi başına sadece bir devre elemanına sahiptir. Küçük miktarlardaki transistör basit elektronik anahtarlar oluşturmak için kullanılır. Devrelerle birbirine bağlanmış ve tek bir silikon mikroçipin içine yerleştirilmiş çok sayıda transistörden oluşan entegre devrelerin (integrated circuit-IC) temel elemanlarıdır.
Milyonlarca ve hatta günümüzde milyarlarca transistörü tek bir entegre devre içine yerleştirmek mümkün. İşte yüksek teknolojiyle üretilen bu tür çipler çok daha performanslı, çok daha verimli. İletkenler sadece işlemciler değil, aynı zamanda MP3 çalar, akıllı telefon ve kameralar dahil olmak üzere sayısız üründe yer alan depolama birimlerinde de kullanılıyor. Geçici depolama sunan RAM teknolojilerinde yine aynı şekilde yongalar, yani yongaların meydana gelmesi için gereken transistörler yer alıyor.
Transistörlerin tarihi 20. yüzyılın başlarına kadar uzanıyor. İlk transistör 1947 yılında Amerika Birleşik Devletleri’ndeki Bell Laboratuvarlarında William Shockley, John Bardeen ve Walter Brattain’den oluşan bir bilim ekibi tarafından icat edildi. Bu buluş yarı iletken çağının fitilini ateşleyen, elektronik alanındaki muazzam bir atılımdı.
Transistör devrim niteliğinde bir icattı çünkü o dönemde elektronik cihazlarda kullanılan vakum tüplerine daha güvenilir ve kompakt bir alternatif sunuyordu. Vakum tüpleri hantaldı, çok fazla güç tüketiyordu ve sınırlı bir kullanım ömrüne sahipti. Oysa transistörler çok daha küçüktü, daha az güç gerektiriyordu ve çok daha uzun kullanım ömrüne sahipti. Sözün kısası, farklı alanlardaki elektronik cihazlarda kullanılmak için idealdi.
İlk transistörler o zamanlar kolayca bulunabilen germanyumdan yapılmıştı. Ancak germanyumun maliyeti yüksekti ve yüksek sıcaklıklarda kötü performans gösteriyordu. Sonrasında, 1950’li yıllarda araştırmacılar germanyuma alternatif olarak silikon kullanımını araştırmaya başladılar. Silisyumun germanyuma göre daha yüksek erime noktası ve daha iyi elektriksel özellikler gibi çeşitli avantajları vardı. 1950’lerin sonunda silikon, transistör üretimi için tercih edilen malzeme haline geldi.
Transistörlerin boyutu katlanarak azaldıkça maliyetleri de düştü ve bu da onları kullanmak için daha fazla fırsat yarattı. Transistörlerin dirençler, diğer diyotlar veya elektronik bileşenlerle entegre edilmesi entegre devreleri daha küçük hale getirdi. Minyatürleştirme ve yarı iletkenlerden bahsederken Moore Yasası’ndan da bahsetmesek olmaz. Birazdan değineceğiz.
Transistörün icadı ve ardından geliştirilmesi, modern elektroniğin evrimi üzerinde derin bir etkiye sahip olmuştur. Bu iletkenler, elektronik cihazların minyatürleştirilmesini sağlayarak entegre devrelerin ve mikroişlemcilerin geliştirilmesini sağlayan birincil etkendir diyebiliriz. Genel olarak baktığımızda ise tüm gelişimler neticesinde dijital çağın önü açıldı, dünya büyük bir değişime uğradı. Bilgisayarlar ve akıllı telefonlardan tıbbi cihazlara ve uzay araştırmalarına kadar, transistörler bugün bildiğimiz dünyanın şekillenme sürecinde anahtar rol oynamakta.
Transistörleri üretmek için kullanılan malzemeler ve üretim süreçleri, performansları ve işlevsellikleri açısından kritik öneme sahip. Bir yarı iletken olan silikon, mükemmel yarı iletken özellikleri, doğadaki bolluğu ve nispeten düşük maliyeti nedeniyle transistör üretiminde en yaygın kullanılan malzemedir. Transistörlerin çalışması için çok önemli olan, doping olarak bilinen bir işlem olan yabancı maddelerin kontrollü bir şekilde girişine izin veren kristal bir yapıya sahip.
Doping, iletkenliğini değiştirmek için silikonun içine “safsızlık katma süreçlerini” içeriyor. İki tür doping var: dopant (katkı yapma, sonradan ekleme) atomlarının silikondan daha fazla değerlik elektronuna sahip olduğu n-tipi ve dopant atomlarının daha az değerlik elektronuna sahip olduğu p-tipi. Bir transistördeki n-tipi ve p-tipi malzemeler arasındaki etkileşim, elektrik sinyallerinin kontrol edilmesini ve yükseltilmesini sağlar.
Transistörlerin üretim süreci oldukça karmaşık ve birden fazla aşama mevcut. Süreç, ince bir silikon kristal dilimi olan bir wafer’ın (silikon disk levha) oluşturulmasıyla başlıyor. Daha sonra wafer, transistörün yapısını oluşturmak için oksidasyon, fotolitografi, aşındırma (veya dağlama) ve difüzyon veya iyon implantasyonu gibi çeşitli işlemlere tabi tutulmakta. Oksidasyon ile wafer üzerinde yalıtkan görevi gören silikon dioksit tabakası büyütülüyor. Fotolitografi, transistörün desenini wafer üzerine aktarmak için kullanılıyor. Aşındırma sürecinde transistörün yapısını ortaya çıkarmak için istenmeyen materyaller ortadan kaldırılırken, difüzyon veya iyon implantasyonu ile katkı maddelerini silikona dahil ediliyor.
Son adımlara gelince, transistörü devrenin geri kalanına bağlamak için metal kontaklar yerleştiriliyor ve tamamlanan transistörler elektronik cihazlarda kullanılmak üzere paketleniyor. Tüm süreç, transistörün performansını olumsuz etkileyebilecek kirlenmeyi önlemek için temiz oda ortamında gerçekleştirilmekte.
Yıllar içinde transistörlerin üretim süreci teknolojik ilerlemeler sayesinde önemli ölçüde gelişti ve giderek daha küçük, daha güçlü transistörlerin üretilmesini sağladı. Günümüzde transistörler FinFET (Fin Alan Etkili Transistör) ve GAAFET (Gate-All-Around Alan Etkili Transistör) teknolojisi gibi birkaç nanometre kadar küçük özelliklere sahip transistörlerin üretilmesine olanak tanıyan gelişmiş teknikler kullanılarak üretilmekte.
Malzeme ve üretim süreçlerindeki bu gelişmeler transistör teknolojisinin süregelen evriminde kilit rol oynadı, giderek daha güçlü ve enerji tasarruflu elektronik cihazların geliştirilmesine olanak sağladı.
Transistörler yarı iletken fiziği prensiplerine göre çalışır. Bu prensiplerin özünde elektron ya da boşluk (elektron yokluğu) olabilen “yük taşıyıcı” kavramı var. Yük taşıyıcılarının bir transistörün yarı iletken malzemesindeki davranışı, elektrik sinyallerini kontrol etmesini ve yükseltmesini sağlamakta.
Tipik olarak bir transistör üç yarı iletken malzeme katmanından oluşmakta: emitör yani yayıcı (emitter), baz (base-taban) ve toplayıcı (collector). Yayıcı ve toplayıcı genellikle yoğun katkılıdır, yani yüksek konsantrasyonda yük taşıyıcıya sahiptirler, baz ise hafif katkılıdır. Yayıcı ve toplayıcı bir katkı tipine (n-tipi veya p-tipi) aitken, baz diğer tipe aittir.
Bir transistörün çalışması bir geçit görevi gören baz-yayıcı birleşimi ile gerçekleşir. Baza küçük bir akım uygulayarak, yayıcıdan kollektöre çok daha büyük bir akımın akmasını sağlar. Bu, bir transistörün amplifikasyon etkisidir.
Baz-emitör bağlantısı aynı zamanda bir anahtar görevi de görebilir. Baza hiçbir akım uygulanmadığında, bağlantı akımın emitörden kollektöre akmasını önler ve baza bir akım uygulandığında akımın akmasına izin verir. Bu anahtarlama özelliği, transistörleri dijital elektronik için bu kadar değerli kılan şeydir.
Transistörün çalışma prensipleri tüm transistör tipleri için aynı, ancak özellikler transistör tipine ve amaçlanan uygulamaya bağlı olarak değişebilir. Türü ne olursa olsun, yük taşıyıcı davranışı, katkılama ve bağlantı işleminin temel ilkeleri, transistörleri elektronikte güçlü bir araç haline getiriyor.
Nasıl Çalışır?
Bir transistör esasen elektrik akımının akışını kontrol edebilen bir anahtardır. Üç terminali var:
- Bipolar Bağlantı Transistör(BJT) tipinde yayıcı, baz ve toplayıcı.
- Alan Etkili Transistörde (FET) tipindeki transistörlerde ise kaynak, kapı ve boşaltma.
Transistörün davranışı bu terminallere uygulanan gerilimlere bağlı. Bir BJT’de baz-emitör birleşimine uygulanan küçük bir akım, emitörden kollektöre çok daha büyük bir akımın akmasını sağlar. Bu akım amplifikasyonu BJT’lerin önemli bir özelliği. Çıkış akımının (kollektör akımı) giriş akımına (baz akımı) oranına akım kazancı denir ve β sembolü ile gösterilir.
- Baz (base): Transistörü etkinleştirmek için
- Toplayıcı (collector): Transistörün pozitif ucu
- Emitör (emitter): Transistörün negatif ucu
FET türündeki bir transistörde kaynak ve drenaj terminalleri arasındaki yük taşıyıcılarının akışı, kapı terminaline bir voltaj uygulanarak oluşturulan bir elektrik alanı tarafından kontrol edilir. BJT’lerin aksine, FET’lerin çalışması için bir baz akımı gerekmiyor, bu da onları daha enerji verimli hale getiriyor.
Transistörlerin elektrik akımının akışını kontrol etme yeteneği sayesinde çok çeşitli alanlarda kullanmak mümkün. Ses yükselticileri ve radyo vericilerinde olduğu gibi sinyalleri yükseltmek veya dijital devrelerde olduğu gibi sinyalleri açıp kapatmak için kullanabiliyoruz. Milyonlarca hatta milyarlarca transistörü tek bir çip üzerinde birleştirerek mikroişlemciler ve bellek çipleri gibi karmaşık elektronik cihazlar tasarlanabiliyor.
Emitörün İşlevi Nedir?
Verici veya yayıcı olarak bilinen emitör, çoğunluk yük taşıyıcılarını (elektronlar veya boşluklar) transistörün baz bölgesine yaymaktan veya enjekte etmekten sorumlu.
Bazın İşlevi Nedir?
Baz, bir transistörün başka bir terminali. Ana işlevi, yayıcı ile toplayıcı arasındaki akım akışını kontrol etmek. Baza küçük bir akım veya voltaj uygulayarak, transistörden akan çok daha büyük bir akımı kontrol edebilirsiniz.
Kollektörün İşlevi Nedir?
Kollektör yani toplayıcı, verici tarafından yayılan çoğunluk yük taşıyıcılarını toplar ve transistörden geçen akım akışını kontrol eder. Kollektör genellikle yayıcı ve tabana kıyasla daha büyük akımları idare edecek şekilde tasarlanmıştır.
1947’de nokta temaslı transistörün icadının ardından elektronik alanı hızlı şekilde değişim ve yenilik dönemine girdi. Ancak nokta temaslı transistör devrim niteliğinde olsa da güvenilir bir şekilde üretilmesi zordu ve seri üretime uygun değildi. Bu dezavantajlar netincesinde 1950’lerin başında daha güvenilir ve üretimi daha kolay bir tasarım olan jonksiyon transistörler geliştirildi.
Bir tür yarı iletken malzemeden ince bir tabakanın diğer türden daha kalın iki tabaka arasına sıkıştırıldığı üç katmanlı bir cihaz olan bağlantı transistörü, nokta temaslı transistörden daha sağlam ve güvenilirdi. Sonuç olarak, transistör tasarımı için hızla standart haline geldi.
1950’lerde ve 1960’larda iki kutuplu bağlantı transistörü (BJT) ve alan etkili transistörün (FET)4 geliştirilmesiyle önemli atılımlar yapıldı. Farklı bir prensiple çalışan BJT üç katmanlı bir cihazken, FET akımın aktığı bir ‘kanalın’ genişliğini kontrol eden dört katmanlı bir cihaz.
Bu yeni tip transistörlerin geliştirilmesi elektronik tasarım için yeni olanaklar yarattı. Küçük yarı iletkenler artık sadece sinyalleri yükseltmek için değil, aynı zamanda onları açıp kapatmak için de kullanılabiliyor ve bu da dijital elektroniği mümkün kılıyordu. Kaydedilen bu ilerleme, 1958 yılında transistörlerin ve diğer bileşenlerin tek bir çip üzerinde toplanmasını sağladı ve entegre devrelerin geliştirilmesine kapı araladı. 1960’lara gelindiğinde entegre devreler çok çeşitli elektronik cihazlarda kullanılıyordu.
Transistörün evrimi devam etti, 1970’lerde metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET) geliştirildi. Daha önceki seçeneklere göre çeşitli avantajlara sahip olduğu için günümüzde kullanılan en yaygın transistör türü haline geldi. Örneğin üretimi daha kolay, çok küçük hale getirilebiliyor ve çok az güç tüketiyor.
Günümüzde transistörler modern elektroniğin her alanında yer alırken evrimleri henüz sona ermedi. Teknoloji dünyasının geleceğine yön veren yarı iletken şirketleri, geleceğin planlarını çok önceden yapmaya başlıyor. İşte bu örneklerden bazıları:
İlk GAA Transistörler: Samsung, 3nm Üretimine Başlıyor
Samsung, 2022 sonlarında Gate-All-Around (GAA) işlem tekniğiyle birlikte 3nm üretim teknolojisini kullanarak yonga üretimine başladığını duyurmuştu. 3nm süreci, 5nm sürecine kıyasla %45 azaltılmış güç kullanımı, %23 geliştirilmiş performans ve %16 daha küçük yüzey alanı sağlayacak. İkinci nesil 3nm işleminde ise bu değerler sırasıyla %50, %30 ve %35’e yükseltilecek.
FinFET için sınırların sonuna gelen Koreli yarı iletken üreticisi, ilk kez uygulanan GAA teknolojisi olan Multi-Bridge-Channel FET (MBCFET) ile birlikte performans sınırları aşmayı hedefliyor. Yeni teknikle birlikte besleme voltajı seviyesi azaltılırken güç verimliliği bir üst noktaya çıkıyor. Aynı zamanda sürücü akımı kapasitesiyle birlikte performans da artıyor.
Samsung, 3GAE çok yönlü alan etkili transistörlerini (GAAFET’ler) çok köprülü kanal alan etkili transistörler (MBCFET’ler) olarak markalıyor. Transistörlerin düşük kaçak akımı, kapı şimdi dört taraftan kanal tarafından çevrelendiğinden dolayı kilit özelliklerden biri olarak ön plana çıkıyor. Diğer bir avantaj ise kanallarda kalınlığın performansı artırmak ve güç tüketimini azaltmak için düzenlenebilir halde olması.
‘İlk üretim’ terimi farklı yorumlanabilir. Yarı iletken devi 2022 sonlarında seri üretimin erken başlangıç aşamasındaydı. Ancak Samsung Foundry, resmi olarak gate-all-around (GAA) transistörlere sahip dünyanın ilk çip üreticisi olarak markalaştırılabilir.
2nm Yonga Üretimi 2024 Yılında Başlayabilir: MBCFET Transistörler
TSMC, 2nm teknolojisi için üretim tesisi inşa etmeye başladı ve MBCFET transistör yapısının kullanılması planlanıyor. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, 2020 yılında 2nm yarı iletken üretim teknolojileri için araştırma ve geliştirmede önemli bir atılım gerçekleştirmişti. Bu atılımın raporları Tayvan medyasında gün yüzüne çıktı. Dünyanın dört bir yanındaki çeşitli büyük ve küçük şirketlere yonga tedarik eden TSMC, bu sürecin 2023 yılında deneme üretimine girmesini ve bir yıl sonra seri üretime başlanmasını bekliyor.
TSMC ve Samsung tarafından üretilen ürünlerde, bir transistörün tasarımını tanımlamak için kullanılan bir terim olan FinFET (Fin-Alan Etkili Transistör) tekniği kullanılıyor. TSMC ise Çoklu Köprü Kanal Alan Etkisi (MBCFET) transistör olarak adlandırılan bir modele geçmeyi hedefliyor.
Transistörler – FinFET, GAAFET, MBCFET
Bir FinFET tasarımı üç temel unsuru bağlı. Bunlar source (kaynak), gate (kapı) ve drain (kanal-drenaj) olarak isimlendiriliyor. Elektronlar kaynaktan çıktıktan sonra bunların akışı kapı tarafından düzenleniyor. FinFET’ten önceki tasarımlarda kaynak ve kanallar yalnızca yatay eksende üretiliyordu. MBCFET ise bir nevi FinFET’in devamı niteliğinde.
FinFET’in yenilikçi yaklaşımı, üçüncü boyutta hem kaynak hem de kanalların dikey olarak konumlanmasını sağladı. Sonuç olarak, kapıdan daha fazla elektronun geçmesi mümkün oldu, sızıntı azaltıldı ve çalışma voltajı düşürüldü.
TSMC’nin transistörleri için bir MBCFET kullanma kararı aslında bir ilk değil. Bahsettiğimiz gibi Samsung, 3nm üretim sürecini duyurmuştu ve MBCFET tasarımından bahsedilmişti. Samsung’un MBCFET’i GAAFET’in aksine, “nanosheet” kaynak ve kanalların yerine nanowire kullanıyor. Bu yenilik, iletim için mevcut olan yüzey alanını artırıyor ve daha önemlisi, tasarımcının transistöre daha fazla kapı eklemesine izin veriyor.
Intel, 2nm Altı Transistör Teknolojisi Üzerinde Çalışıyor
Intel, geleceğin ürünlerinde kullanmak üzere 2nm altı üretim hedeflerine yönelik yeni bir transistör tasarımına odaklanıyor. 2022 yılında yayınlanan çevrimiçi bir patent ortaya çıkmıştı. Buna bakılırsa şirket, Moore Yasasını “stacked forksheet transistors” olarak adlandırdığı bir yaklaşım aracılığıyla canlı tutmak istiyor. Genellikle olduğu gibi, patent belirsiz ve Intel PPA (Güç-Performans-Alan) iyileştirmeleri hakkında hiçbir iddiada bulunmuyor.
Mavi deve göre yeni transistör tasarımı günümüzün en gelişmiş üç kapılı tasarımlarına kıyasla daha fazla transistör sayısına izin veren 3B, dikey olarak istiflenmiş bir CMOS mimarisine dayanıyor. Öte taraftan transistörleri küçültmek çok zor hale gelmeye başlarken Intel’in patenti bile karşılaşılan zorlukları “overwhelming (karşı konulamaz) olarak tanımlıyor. Görünüşe göre maliyet, risk ve karmaşıklık şimdi potansiyel faydalardan daha ağır basıyor gibi görünüyor.
Intel’in patenti bir yalıtkan duvar görevi gören yeni, atom inceliğinde bir germanyum film ile eşleştirilmiş nanoşerit transistörlerin kullanımını ortaya koyuyor. Bu duvar, tabakalar arasında fiziksel bir ayraç görevi ve ayrıca p-gate kanalı ile n-geçitli kanal arasında bir yalıtkan görevi görüyor. Ayrıca birbiri üzerine kaç tane transistör istiflendiğine bağlı olarak dikey olarak istiflenmiş transistör katmanlarının her biri boyunca tekrarlanıyor.
Sonuç olarak teknoloji devi daha dar bir alana çok daha fazla transistör sığdırabilecek. Şirket teknolojiyi 2019’da keşfetmeye başlamıştı ve ilk olarak Elektronik Cihazlar Toplantısı (IEDM) etkinliğinde bu gelişmeyi duyurdu. Maalesef patent ve teknolojiyle ilgili transistör yoğunluğu, performans ve güç verimliliği gibi hiçbir konuda somut veriler bulunmuyor.
Tüm patentlerin her zaman zaman gerçek ürünlere veya üretim teknolojilerine dönüşmediğini hatırlatmakta fayda var. Ancak teknoloji dünyası er ya da geç 2nm ve altındaki teknolojilere ihtiyaç duyacak. Intel’in yanı sıra TSMC ve Samsung gibi dökümhaneler de kendi teknolojilerini geliştirmek için mesai harcıyor.
Intel 2nm’lik süreçte bu “stacked forksheet (yığınlanmış çatal levha)” mimarisinin yerine başka teknikler de kullanabilir. Ancak şirket patent başvurusunu yaptı ve bu da nihayetinde tasarımın geçerliliği olduğu anlamına geliyor.
2030’a Kadar 300 Milyar Transistörlü İşlemciler Üretilebilir
Yarı iletken üretiminin arkasındaki önemli isimlerden olan şirket, Moore Yasasının biraz daha uzun yaşamasını sağlayacak. ASML Holding, silikon çiplerin üretilmesinde kullanılan makinelerin tasarımından ve kurulumundan sorumlu oldukça mühim bir şirket. Hollandalı teknoloji firması, yatırımcılara yönelik bir belgede 2030 yılına kadar 300 milyardan fazla transistöre sahip olacak işlemciler yaratma planlarını ortaya koydu.
Bahsedilen 300 milyar transistör değerini elde etmek elbette kolay bir iş değil. Ancak 300 milyar hedefi için sağlam bir temel var. Şirket bu geliştirme sürecini iki aşamaya bölerek başarmayı planlıyor; birincisi artan transistör yoğunluğu, ikincisi ise iyileştirilmiş bir paketleme süreci.
Öncelikle transistör yoğunluğu çok önemli. 3nm ve 2nm gibi mevcut 5nm teknolojisinin altındaki üretim teknolojileri için aşırı ultraviyole (EUV) litografi kombinasyonu ile nanosheet-FET’leri kullanmayı planlıyorlar. Bundan sonrası 1.5nm noduna giden zorlu bir yol ve çatallı nano tabakalar gerektiriyor. Ayrıca 1nm üretimi elde etmek için CFET teknolojisi tercih edilmesi bekleniyor. ASML, 1nm altındaki boyutlar için 2D atomik kanalları kullanacak.
ASML, yüksek transistörlü çiplerin standart haline gelmesiyle çipleri birleştirmek ve çok çipli modüller (MCM) inşa etmek için gelişmiş paketleme teknikleri uygulamak istiyor. Nihayetinde ise 300 milyardan fazla transistörlü işlemciler ortaya çıkacak. Sonuç olarak 3 boyutlu ve mantıksal yığınlama, heterojen işlemci tasarımı ve katmanlı G/Ç sistemlerinin üretiminde önemli bir rol oynayacak.
NAND Yongaların Geleceği
Söz konusu bellekler olduğunda ise gelecek teknikler, bellek üreticilerinin 2030 yılına kadar 500’den fazla katmana sahip NAND flash modülleri üretmesini sağlayacak. Günümüzdeki gelişmiş NAND modülleri ise 200 civarı katmanla birlikte gönderiliyor.
Yarı iletkenler, iletkenler ve yalıtkanlar arasında kalan elektrik iletkenlikleri nedeniyle modern elektroniğin temelini oluşturur. Transistörlerde en sık kullanılan yarı iletken malzemenin silikon olduğunu söylemiştik, ancak germanyum ve galyum arsenit gibi diğer malzemeler de bazı uygulamalarda kullanılmakta.
Yarı iletkenlerin elektriksel özellikleri, katkılama (doping) olarak bilinen bir süreçle düzenleniyor. Doping işleminden biraz önce de bahsetmiştik. Bu işlemle yabancı maddelerin girişine kontrollü bir şekilde izin veriliyor, maddenin saflık oranı değiştiriliyor. Yarı iletken malzemeye az miktarda başka elementler eklenebiliyor ve elektron fazlalığı ya da eksikliği yaratılıyor.
Transistörler, üç katmanlı konfigürasyonunda n-tipi ve p-tipi katmanları değiştirerek elektrik sinyallerini kontrol etmek ve yükseltmek için yarı iletkenlerin özelliklerinden yararlanmakta. Katmanlar arasındaki etkileşim ve içlerindeki elektron ile boşluk (delikler) akışı, transistörlerin amplifikatör veya anahtar olarak işlev görmesini sağlıyor.
Bir transistörde, katmanlar arasındaki yük taşıyıcılarının (elektronlar veya boşluklar) akışı, taban adı verilen katmanlardan birine uygulanan bir voltajla kontrol edilir. Tabandaki voltajı değiştirerek, diğer iki katman olan yayıcı ve toplayıcı arasında akan akım kontrol edilebilir. Bu, transistörün elektrik sinyallerini yükseltmesine veya değiştirmesine olanak tanıyarak onu modern elektronik cihazların temel bir yapı taşı haline getirmekte.
İngilizce kaynaklarda “process node”, “process technology”, “technology node” ve yalnızca “node” gibi terimler görebilirsiniz. Hepsi aynı kapıya çıkıyor. “Node” kelimesi “düğüm” anlamına geliyor. Biz bunu “devre düğümü” olarak kullanabiliriz. Bildiğiniz üzere çiplerde yer alan transistörler birbirine nanometreler ölçeğinde, aşırı derecede yakın. Birbirleriyle ardı sıra geldikleri için bu yapıyı “düğüm” olarak tanımlayabiliriz. Ancak biz genelde süreç teknolojisi, üretim teknolojisi ve fabrikasyon teknolojisi gibi daha açık terimler kullanmayı tercih ediyoruz.
Process node, belirli bir yarı iletken üretim sürecini ve bu sürecin tasarım kurallarını ifade etmekte. Çip üretimindeki node’lar ara bağlantı aralığı, transistör yoğunluğu, transistör tipi ve diğer yeni teknolojiler gibi üretim hattının entegre bir devre üzerinde oluşturabileceği özellikleri gösteriyor.
5nm ve 7nm şeklinde isimlendirilen üretim teknikleri, dökümhane olarak da ifade ettiğimiz üretim tesislerinde gerçekleşen “çip üretim” süreçleriyle ilgili. Neredeyse tüm çipler silikon kullanılarak üretilse de, dökümhanelerin kullanabileceği farklı üretim süreçleri mevcut. Bu nedenle “süreç” kelimesini kullanıyoruz. Özetle, silikon çipler üretilirken transistör bileşenlerinin boyutuyla ölçüm yapılıyor ve bu boyutlarla birlikte “özel” üretim yöntemleri ortaya çıkıyor.
İşlemciler milyarlarla ifade edilen çok sayıda transistörden oluşur ve bir işlemcinin içinde ne kadar çok transistör varsa o kadar iyidir. Öyleyse sınırsız şekilde transistör yerleştirerek çok fazla performans elde edebiliriz? Maalesef teknoloji dünyasında hedefler bu doğrultuda ilerlemiyor. Entegre devrelerin tasarımı ve ilerlemesindeki anlayış “minyatürleştirme” diyebiliriz. Yıllardır dökümhane işinde olan devler, dur durak bilmeden transistör aralığını küçültmeye devam ediyor. Süreç teknolojileri, sonsuz olarak “daha küçük hale getirme” hedefiyle geliştiriliyor.
Şayet süreç teknolojilerini küçültmeden çok sayıda transistör yerleştirilseydi, devasa boyutlara ulaşan kocaman işlemciler kullanıyor olurduk. Böylelikle ısı üretimi de çok artardı, küçük teknolojik cihazlar kullanamazdık. Teknoloji şirketleri, yoğunluğu artırmak için transistörler arasındaki boşluğu azaltarak bir çipe daha fazla transistör yerleştirmek için çabalıyor. Daha yeni ve daha iyi süreçler icat edildikçe transistör yoğunluğu artıyor, verimlilik yükseliyor, alan küçülüyor ve büyük çiplere gerek kalmadan performans elde edebiliyoruz.
Araştırmacılar, yeni keşifler yapmak için çalışmalarına devam ediyor. İsveç’teki araştırmacılar, dünyanın ilk ahşap transistörünü tasarladı ve test etti. Linköping Üniversitesi ve Stockholm’deki Kraliyet Teknoloji Enstitüsü’nden ekipler, yakın zamanda geliştirdikleri ahşap elektrokimyasal transistörün (WECT) gelişim sürecini, yeteneklerini ve potansiyelini gösteren bir makale yayınladı.
Ahşap elektrokimyasal transistörler, daha sürdürülebilir ve biyolojik olarak parçalanabilen ahşap bazlı elektroniklerin önünü açabilir. Dahası, ahşap elektroniği canlı bitkilerin elektronik kontrolünü sağlayabilir.
