四張圖看懂晶體管現(xiàn)狀

來(lái)源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自IEEE，謝謝。

在過(guò)去的 75 年里，晶體管技術(shù)最明顯的變化就是我們能制造多少。正如這些圖表所示，減小設(shè)備的尺寸是一項(xiàng)巨大的努力，而且非常成功。但尺寸并不是工程師一直在改進(jìn)的唯一特征。

1947年，只有一個(gè)晶體管。根據(jù) TechInsight 的預(yù)測(cè)，半導(dǎo)體行業(yè)今年有望生產(chǎn)近 20 億萬(wàn)億 (1021) 臺(tái)設(shè)備。這比 2017 年之前所有年份累計(jì)制造的晶體管數(shù)量還要多。在這個(gè)幾乎無(wú)法想象的數(shù)字背后，是晶體管價(jià)格的持續(xù)下降，因?yàn)?a target="_blank">工程師們已經(jīng)學(xué)會(huì)將越來(lái)越多的晶體管集成到同一硅片區(qū)域。

縮小硅平面二維空間中的晶體管取得了巨大的成功：自 1971 年以來(lái)，邏輯電路中的晶體管密度增加了 600,000 多倍?？s小晶體管尺寸需要使用更短波長(zhǎng)的光，例如極紫外光，以及其他光刻技巧可以縮小晶體管柵極之間和金屬互連之間的空間。展望未來(lái)，它是第三維度，晶體管將在另一個(gè)維度上構(gòu)建，這很重要。這種趨勢(shì)在閃存領(lǐng)域已有十多年的歷史，但在邏輯領(lǐng)域仍處于未來(lái)。

也許所有這些努力的最高成就是能夠?qū)?shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億個(gè)晶體管集成到地球上一些最復(fù)雜的系統(tǒng)中：CPU。我們從下圖看一下晶體管的發(fā)展歷程。

以下為行業(yè)的一些進(jìn)展

除了使它們變得小巧和數(shù)量眾多之外，工程師們還致力于提高設(shè)備的其他品質(zhì)。以下是晶體管在過(guò)去 75 年中發(fā)展的一小部分示例：

伊利諾伊州的研究人員使用超薄硅膜、鎂導(dǎo)體和氧化鎂絕緣體的組合開(kāi)發(fā)了可溶解在體內(nèi)的電路。在水中五分鐘足以將第一代產(chǎn)品變成糊狀。但最近研究人員使用了一種更耐用的版本來(lái)制造臨時(shí)心臟起搏器，當(dāng)它們消失時(shí)會(huì)釋放一種抗炎藥物。

第一個(gè)晶體管是為無(wú)線電頻率而制造的，但現(xiàn)在有一些設(shè)備的工作頻率約為這些頻率的十億倍。韓國(guó)和日本的工程師報(bào)告稱發(fā)明了一種最高頻率可達(dá) 738 GHz 的砷化銦鎵高電子遷移率晶體管 (HEMT)。Northrop Grumman 的工程師為了尋求原始速度，制造了一個(gè)超過(guò) 1 太赫茲的 HEMT。

今天（和昨天）的晶體管取決于塊狀 (3D) 材料的半導(dǎo)體特性。明天的設(shè)備可能依賴二維半導(dǎo)體，例如二硫化鉬和二硫化鎢。研究人員說(shuō)，這些晶體管可能內(nèi)置在處理器硅上方的互連層中。所以 2D 半導(dǎo)體可以幫助產(chǎn)生 3D 處理器。

世界不是平的，晶體管需要運(yùn)行的地方也不是平的。韓國(guó)工程師最近使用砷化銦鎵在塑料上制造了高性能邏輯晶體管，彎曲半徑僅為 4 毫米時(shí)幾乎不會(huì)受到影響。伊利諾伊州和英格蘭的工程師已經(jīng)制造出既經(jīng)濟(jì)又可彎曲的微控制器。

當(dāng)您需要將計(jì)算隱藏在眾目睽睽之下時(shí)，請(qǐng)使用透明晶體管。中國(guó)福州的研究人員最近使用有機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管制作了一種透明的閃存模擬物。日本和馬來(lái)西亞的研究人員生產(chǎn)了能夠承受 1,000 伏以上電壓的透明金剛石裝置。

NAND 閃存單元可以在單個(gè)設(shè)備中存儲(chǔ)多個(gè)位。今天市場(chǎng)上的那些存儲(chǔ)每個(gè) 3 或 4 位。Kioxia Corp. 的研究人員構(gòu)建了一個(gè)改進(jìn)的 NAND 閃存單元，并將其浸泡在 77 開(kāi)爾文的液氮中。一個(gè)超冷晶體管最多可以存儲(chǔ)7 位數(shù)據(jù)，或 128 個(gè)不同的值。

2018 年，加拿大的工程師使用一種算法生成了所有可能的獨(dú)特功能性基本電路，這些電路只需使用兩個(gè)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管即可制作。電路總數(shù)達(dá)到驚人的582。將范圍擴(kuò)大到三個(gè)晶體管，得到了 56,280 個(gè)電路，其中包括幾個(gè)以前不為工程人員所知的放大器。

一些晶體管可以承受超凡脫俗的懲罰。NASA 格倫研究中心構(gòu)建了200 個(gè)晶體管碳化硅 IC，并在模擬金星表面環(huán)境的腔室中運(yùn)行了 60 天——460 °C 的高溫、行星探測(cè)器壓碎的 9.3 兆帕壓力以及地獄般的行星腐蝕性氣氛。

審核編輯 黃宇