Selles blogipostituses vaatleme, kuidas pooljuhtide tööstuse algus muutis põhjalikult info- ja kommunikatsioonitehnoloogiat ning tööstusstruktuuri.
Viimaste aastakümnete jooksul on maailm läbi teinud tohutuid muutusi, mille keskmes on olnud info- ja kommunikatsioonitehnoloogia kiire areng. Informatsiooni, mis oli analoogmaailmas kunagi siin-seal laiali, sai nüüd teisendada binaarseteks nullideks ja ühtedeks ning tõhusalt salvestada ühele transistorile, ühele kiibile, ühele masinale. See muutus polnud mitte ainult tehnoloogiline edasiminek, vaid suur nihe meie igapäevaelus, majanduses ja ühiskonnas tervikuna. Inimesed saavad nüüd masinate kaudu vabalt suhelda ja oleme sõna otseses mõttes sisenenud ajastusse, kus enamik mugavusi on meie peopesas. Selles digitaalses keskkonnas on tarkvarapõhised teenused populaarsust kogunud ja nende järele on tohutu nõudlus.
Aga kust see põhimõtteline revolutsioon tööstuslikes muutustes alguse sai? Pooljuhtide arengust ja pooljuhtide tööstuse algusest. Pooljuhtide leiutamine juhatas 20. sajandi keskpaigas sisse uue tehnoloogilise innovatsiooni ajastu. See võimaldas töödelda andmeid enneolematus ulatuses ning pani aluse tänapäevaste arvutite ja nutiseadmete olemasolule. Pooljuhid on nüüdseks meie elu lahutamatu osa ja neist on saanud oluline tööstusharu, mis kujundab mitte ainult meie elustiili, vaid ka majanduse ja riikide konkurentsivõimet.
Aga mida täpselt pooljuht füüsikaliselt tähendab ja kuidas need võimaldavad teavet salvestada ja hallata? Pooljuht on sõna otseses mõttes materjal, mis on pooleldi juht ja pooleldi isolaator (materjal, mis ei lase voolul läbi voolata). Oluline sõna „pool” tähendab, et see võib olla erinevatel aegadel nii juht kui ka isolaator. Ja pooljuhtide kõige olulisem omadus on see, et me saame neid elektrilisi omadusi hõlpsalt kontrollida, stimuleerides neid. Need omadused muudavad pooljuhid elektriliste signaalide juhtimiseks ülioluliseks, mis võimaldab meil teha keerulisi arvutusi ja andmetöötlust. See on teinud pooljuhtidest enamat kui lihtsalt elektroonikaseadmed; need on kõigi tänapäevaste elektroonikaseadmete põhilised ehituskivid.
Analoogia abil võib öelda, et juba enne pooljuhtide väljatöötamist oli füüsik James Clerk Maxwell juba hästi paika pannud klassikalise elektromagnetismi teooria. Elektromagnetilise energia hoidmiseks polnud anumate (kondensaatorite ja mähiste) loomine probleem. Kuid puudus tehnoloogia, mis oleks selle toimima pannud klapi abil, mis ühendaks kausid ja reguleeriks energiavoogu nende vahel. Pooljuht on lihtsalt kauss klapi või kraaniga. Pooljuhte on mitut tüüpi, millest igaüks reguleerib klapi avanemist ja sulgumist, muutes sellele rakendatavat pinget, valguse intensiivsust, temperatuuri jne, ning need erinevad mitte ainult stiimuli tüübi, vaid ka klemmide arvu poolest, mille kaudu vool voolab. Tutvustame kahte lihtsamat pooljuhtseadet. Dioodil on üks klapp, kaks klemmi ja see võib lasta voolul voolata ühelt küljelt teisele või üldse mitte, olenevalt pinge muutusest. Transistoril on kolm klemmi ja selle ülesanne on jagada ühest klemmist voolav vool teatud vahekorras kahe teisega, olenevalt pinge muutusest.
Siiani olen teile lühidalt kirjeldanud, mis on pooljuhid ja kuidas nad töötavad. Kokkuvõttes on pooljuhid seadmed, mis suudavad salvestada, liigutada ja manipuleerida elektromagnetilist energiat ja teavet. Lisaks sellele, et pooljuhte kasutatakse mitte ainult elektriliste signaalide juhtimiseks, vaid neil on ka võtmeroll selliste täiustatud tehnoloogiate arendamisel nagu tehisintellekt, asjade internet (IoT) ja autonoomsed sõidukid. Nende tehnoloogiate arendamine on kõik tihedalt seotud pooljuhtide tehnoloogia arenguga ning pooljuhtidelt oodatakse võtmerolli tulevaste tehnoloogiate arendamisel.
Mis on siis tänapäeva pooljuhtide tööstuse konkurentsivõimelise kasvu peamine põhjus, mis õhutab uute elektroonikaseadmete loomist ja rahuldab pooljuhtide tohutut nõudlust? See on see, mida tööstusharu sageli nimetab "jumala kingituseks": liiv, Maa pinnal leiduvate ainete hulgas suuruselt teine ja odavaim. Liiv on oksüdeeritud räni. Räni on perioodilisustabeli keskel asuv element ja parim pooljuht juhtide ja mittejuhtide vahel. Selle odava ja rikkaliku materjali eelised ja võimalused viisid bipolaarse transistori väljatöötamiseni William Bradford Shockley, John Bardeeni ja Walter Brattaini poolt Bell Labsis. Sellest ajast alates on uuringud keskendunud Ameerika Ühendriikidele, sealhulgas väljatransistori väljatöötamisele. See uuring ei olnud mitte ainult teaduslik saavutus, vaid ka äriline edu. See tähendas, et pooljuhid ei olnud enam ainult akadeemilise uurimistöö objekt, vaid neid peeti ka väga oluliseks majandusressursiks.
Oluline on see, et Jack Kilby ja Robert Norton Noyce'i poolt välja töötatud integraallülitus tähistas pooljuhtide arengus pöördepunkti ja tugipunkti. Integraallülituse väljatöötamine oli nii mõjukas, et see pälvis Nobeli füüsikapreemia, kuigi see polnud puhas füüsika. Integraallülituste võimsuse illustreerimiseks lihtsa näitega, mida me enda ümber näeme, võime vaadata joodetud raadioid, millega me kõik koolis tuttavad olime. Nendel raadiotel olid lihtsalt kõik vajalikud komponendid plaadil ja seejärel joodeti need kokku. Seda seetõttu, et plaadid olid juba eelnevalt disainitud ja tembeldatud voolu kulgemise radadega. Kui teil on disain, mis teie eesmärgiks sobib, saate seda väga odavalt masstootmise teel toota, korrates disaini ikka ja jälle, nagu graveerimist või värvimist. Kuid veelgi põnevam on see, et meil on nüüd kümneid tuhandeid transistore kiibil, mis kõik on ühendatud integraallülituseks ja nad kõik töötavad korraga koos. Seda on uskumatult lihtne ja odav toota.
Paljud pooljuhtide ja pooljuhtidel põhineva elektroonikaettevõtted on viimaste aastakümnete jooksul teinud uskumatuid edusamme toodete, tulude ja tehnoloogia osas. Globaalsel tasandil on sellised ettevõtted nagu Intel, Fairchild, Texas Instruments, Qualcomm, Samsung, LG, Hynix ja paljud teised Silicon Valley elektroonikaettevõtted muutnud maailma. Eelkõige Lõuna-Korea Samsung Electronics ja Hynix on end mälupooljuhtide maailmas juhtivateks ettevõteteks seadnud, aidates oluliselt kaasa Lõuna-Korea majanduse kasvule. Pooljuhtide tööstus ei ole enam ainult tehnoloogiatööstus, vaid oluline tööstusharu, mis on otseselt seotud riikide majandusliku konkurentsivõimega. Nähtamatu elektronide voolu juhtimisega on pooljuhid loonud uue ajastu ja muutnud majandust revolutsiooniliselt, muutes nad üheks võimsamaks ja väiksemaks jõuks, mis on maailma muutnud.
