Halfgeleiders zijn een cruciaal onderdeel van bijna elk modern elektronisch apparaat en de overgrote meerderheid van halfgeleiders wordt in Tawain gemaakt. Toenemende bezorgdheid over de afhankelijkheid van Taiwan voor halfgeleiders - vooral gezien de fragiele relatie tussen Taiwan en China - leidde ertoe dat het Amerikaanse Congres eind juli 2022 de CHIPS and Science Act goedkeurde. De wet voorziet in meer dan 50 miljard dollar aan subsidies om Amerikaanse halfgeleiders te stimuleren productie en is uitgebreid in het nieuws geweest. Trevor Thornton, een elektrotechnisch ingenieur die halfgeleiders bestudeert, legt uit wat deze apparaten zijn en hoe ze worden gemaakt.

1. Wat is een halfgeleider?

Over het algemeen verwijst de term halfgeleider naar een materiaal, zoals silicium, dat elektriciteit veel beter kan geleiden dan een isolator zoals glas, maar niet zo goed als metalen zoals koper of aluminium. Maar als mensen het tegenwoordig over halfgeleiders hebben, hebben ze het meestal over halfgeleiderchips.

Deze chips zijn meestal gemaakt van dunne plakjes silicium met complexe componenten erop in specifieke patronen. Deze patronen regelen de stroomstroom met behulp van elektrische schakelaars - transistors genoemd - op vrijwel dezelfde manier waarop u de elektrische stroom in uw huis regelt door een schakelaar om te draaien om een ​​lamp aan te doen.

Het verschil tussen uw huis en een halfgeleiderchip is dat halfgeleiderschakelaars volledig elektrisch zijn - er zijn geen mechanische componenten om om te draaien - en de chips bevatten tientallen miljarden schakelaars in een gebied dat niet veel groter is dan de grootte van een vingernagel.

2. Wat doen halfgeleiders?

Halfgeleiders zijn hoe elektronische apparaten informatie verwerken, opslaan en ontvangen. Geheugenchips slaan bijvoorbeeld gegevens en software op als binaire code, digitale chips manipuleren de gegevens op basis van de software-instructies en draadloze chips ontvangen gegevens van hoogfrequente radiozenders en zetten deze om in elektrische signalen. Deze verschillende chips werken samen onder besturing van software. Verschillende softwaretoepassingen voeren heel verschillende taken uit, maar ze werken allemaal door de transistors die de stroom regelen te schakelen.

3. Hoe bouw je een halfgeleiderchip?

Het startpunt voor de overgrote meerderheid van halfgeleiders is een dun plakje silicium dat een wafer wordt genoemd. De wafels van tegenwoordig zijn zo groot als borden en zijn gesneden uit enkele siliciumkristallen. Fabrikanten voegen elementen zoals fosfor en boor toe in een dunne laag aan het oppervlak van het silicium om de geleidbaarheid van de chip te vergroten. Het is in deze oppervlaktelaag waar de transistorschakelaars worden gemaakt.

De transistors worden gebouwd door dunne lagen geleidende metalen, isolatoren en meer silicium aan de hele wafer toe te voegen, patronen op deze lagen te schetsen met behulp van een gecompliceerd proces dat lithografie wordt genoemd en vervolgens deze lagen selectief te verwijderen met behulp van computergestuurde plasma's van zeer reactieve gassen om te verlaten specifieke patronen en structuren. Omdat de transistoren zo klein zijn, is het veel gemakkelijker om materialen in lagen toe te voegen en vervolgens voorzichtig ongewenst materiaal te verwijderen dan om microscopisch dunne lijnen metaal of isolatoren rechtstreeks op de chip te plaatsen. Door tientallen keren lagen van verschillende materialen te deponeren, van patronen te voorzien en te etsen, kunnen halfgeleiderfabrikanten chips maken met tientallen miljarden transistors per vierkante inch.

4. Waarin verschillen chips van tegenwoordig van de vroege chips?

Er zijn veel verschillen, maar de belangrijkste is waarschijnlijk de toename van het aantal transistors per chip.

Een van de vroegste commerciële toepassingen voor halfgeleiderchips waren zakrekenmachines, die in de jaren zeventig op grote schaal beschikbaar kwamen. Deze vroege chips bevatten een paar duizend transistors. In 1989 introduceerde Intel de eerste halfgeleiders met meer dan een miljoen transistors op een enkele chip. Tegenwoordig bevatten de grootste chips meer dan 50 miljard transistors. Deze trend wordt beschreven door de zogenaamde wet van Moore, die zegt dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke 18 maanden zal verdubbelen.

De wet van Moore houdt al vijf decennia stand. Maar de afgelopen jaren heeft de halfgeleiderindustrie grote uitdagingen moeten overwinnen - vooral hoe de omvang van transistors kan blijven krimpen - om dit tempo van vooruitgang voort te zetten.

Een oplossing was om over te schakelen van platte, tweedimensionale lagen naar driedimensionale lagen met vinvormige richels van silicium die boven het oppervlak uitsteken. Deze 3D-chips hebben het aantal transistors op een chip aanzienlijk vergroot en worden nu wijdverbreid gebruikt, maar ze zijn ook veel moeilijker te vervaardigen.

5. Hebben meer gecompliceerde chips meer geavanceerde fabrieken nodig?

Simpel gezegd, ja, hoe ingewikkelder de chip, hoe ingewikkelder en duurder de fabriek.

Er was een tijd dat bijna elk Amerikaans halfgeleiderbedrijf zijn eigen fabrieken bouwde en onderhield. Maar vandaag kan een nieuwe gieterij meer dan $ 10 miljard kosten om te bouwen. Alleen de grootste bedrijven kunnen zich dat soort investeringen veroorloven. In plaats daarvan sturen de meeste halfgeleiderbedrijven hun ontwerpen naar onafhankelijke gieterijen voor productie. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. en GlobalFoundries, met hoofdkantoor in New York, zijn twee voorbeelden van multinationale gieterijen die chips bouwen voor andere bedrijven. Ze hebben de expertise en schaalvoordelen om te investeren in de enorm dure technologie die nodig is om de volgende generatie halfgeleiders te produceren.

Ironisch genoeg, terwijl de transistor en halfgeleiderchip zijn uitgevonden in de VS, zijn er momenteel geen ultramoderne halfgeleidergieterijen op Amerikaanse bodem. De VS zijn hier eerder geweest in de jaren tachtig, toen er bezorgdheid bestond dat Japan de wereldwijde geheugenindustrie zou domineren. Maar met de onlangs aangenomen CHIPS-wet heeft het Congres de stimulansen en kansen geboden voor de productie van de volgende generatie halfgeleiders in de VS.

Misschien worden de chips in je volgende iPhone "ontworpen door Apple in Californië, gebouwd in de VS". + Verder verkennen

Het tekort aan microchips aanpakken

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.