四張圖看懂晶體管現(xiàn)狀

來源：內(nèi)容由半導體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自IEEE，謝謝。

在過去的 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，減小設備的尺寸是一項巨大的努力，而且非常成功。但尺寸并不是工程師一直在改進的唯一特征。

1947年，只有一個晶體管。根據(jù) TechInsight 的預測，半導體行業(yè)今年有望生產(chǎn)近 20 億萬億 (1021) 臺設備。這比 2017 年之前所有年份累計制造的晶體管數(shù)量還要多。在這個幾乎無法想象的數(shù)字背后，是晶體管價格的持續(xù)下降，因為工程師們已經(jīng)學會將越來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，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，它是第三維度，晶體管將在另一個維度上構(gòu)建，這很重要。這種趨勢在閃存領域已有十多年的歷史，但在邏輯領域仍處于未來。

也許所有這些努力的最高成就是能夠?qū)?shù)百萬甚至數(shù)十億個晶體管集成到地球上一些最復雜的系統(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備的其他品質(zhì)。以下是晶體管在過去 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、鎂導體和氧化鎂絕緣體的組合開發(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制造臨時心臟起搏器，當它們消失時會釋放一種抗炎藥物。

第一個晶體管是為無線電頻率而制造的，但現(xiàn)在有一些設備的工作頻率約為這些頻率的十億倍。韓國和日本的工程師報告稱發(fā)明了一種最高頻率可達 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，制造了一個超過 1 太赫茲的 HEMT。

今天（和昨天）的晶體管取決于塊狀 (3D) 材料的半導體特性。明天的設備可能依賴二維半導體，例如二硫化鉬和二硫化鎢。研究人員說，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 半導體可以幫助產(chǎn)生 3D 處理器。

世界不是平的，晶體管需要運行的地方也不是平的。韓國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 毫米時幾乎不會受到影響。伊利諾伊州和英格蘭的工程師已經(jīng)制造出既經(jīng)濟又可彎曲的微控制器。

當您需要將計算隱藏在眾目睽睽之下時，請使用透明晶體管。中國福州的研究人員最近使用有機半導體薄膜晶體管制作了一種透明的閃存模擬物。日本和馬來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設備中存儲多個位。今天市場上的那些存儲每個 3 或 4 位。Kioxia Corp. 的研究人員構(gòu)建了一個改進的 NAND 閃存單元，并將其浸泡在 77 開爾文的液氮中。一個超冷晶體管最多可以存儲7 位數(shù)據(jù)，或 128 個不同的值。

2018 年，加拿大的工程師使用一種算法生成了所有可能的獨特功能性基本電路，這些電路只需使用兩個金屬氧化物場效應晶體管即可制作。電路總數(shù)達到驚人的582。將范圍擴大到三個晶體管，得到了 56,280 個電路，其中包括幾個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 個晶體管碳化硅 IC，并在模擬金星表面環(huán)境的腔室中運行了 60 天——460 °C 的高溫、行星探測器壓碎的 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