Šiame tinklaraščio įraše apžvelgsime, kaip puslaidininkių pramonės pradžia iš esmės pakeitė informacines ir ryšių technologijas bei pramonės struktūrą.
Per pastaruosius kelis dešimtmečius pasaulis patyrė didžiulių pokyčių, kurių centre atsidūrė sparti informacinių ir ryšių technologijų plėtra. Informacija, kuri kažkada buvo išsklaidyta šen bei ten analoginiame pasaulyje, dabar gali būti konvertuojama į dvejetainius 0 ir 1 ir efektyviai saugoma viename tranzistoryje, viename luste, vienoje mašinoje. Šis pokytis buvo ne tik technologijų pažanga, bet ir esminis mūsų kasdieninio gyvenimo, ekonomikos ir visos visuomenės pokytis. Dabar žmonės gali laisvai bendrauti naudodamiesi mašinomis, o mes tiesiogine prasme įžengėme į erą, kai dauguma patogumų yra mūsų delne. Šioje skaitmeninėje aplinkoje programine įranga pagrįstos paslaugos itin išpopuliarėjo ir yra labai paklausios.
Tačiau iš kur kilo ši esminė pramonės pokyčių revoliucija? Puslaidininkių raida ir puslaidininkių pramonės pradžia. Puslaidininkių išradimas XX amžiaus viduryje pradėjo naują technologinių inovacijų erą. Tai leido apdoroti anksčiau neįsivaizduojamo masto duomenis ir padėjo pagrindą šiuolaikinių kompiuterių ir išmaniųjų įrenginių egzistavimui. Puslaidininkiai dabar yra neatsiejama mūsų gyvenimo dalis ir tapo svarbia pramonės šaka, formuojančia ne tik mūsų gyvenimo būdą, bet ir ekonomikų bei tautų konkurencingumą.
Tačiau ką tiksliai reiškia puslaidininkis fiziškai ir kaip jie suteikia galimybę saugoti ir valdyti informaciją? Puslaidininkis yra medžiaga, kuri yra pusiau laidininkas ir pusiau izoliatorius (medžiaga, kuri neleidžia srovei tekėti per jį). Svarbus žodis „pusė“ reiškia, kad skirtingais laikais jis gali būti ir laidininkas, ir izoliatorius. O svarbiausia puslaidininkių savybė yra ta, kad šias elektrines savybes galime lengvai valdyti juos stimuliuodami. Dėl šių savybių puslaidininkiai yra būtini valdant elektrinius signalus, o tai leidžia atlikti sudėtingus skaičiavimus ir apdoroti duomenis. Dėl to puslaidininkiai tapo ne tik elektroniniais prietaisais; jie yra pagrindiniai visų šiuolaikinių elektroninių prietaisų blokai.
Analogiškai galima pasakyti, kad dar prieš puslaidininkių kūrimą klasikinio elektromagnetizmo teoriją jau gerai sukūrė fizikas Jamesas Clerkas Maxwellas. Nebuvo jokių problemų sukurti indus (kondensatorius ir ritinius), kuriuose būtų elektromagnetinė energija. Tačiau nebuvo jokios technologijos, kad tai veiktų sukuriant vožtuvą, kuris sujungtų dubenis ir reguliuotų energijos srautą tarp jų. Puslaidininkis yra tiesiog dubuo su vožtuvu arba maišytuvu. Yra daugybė puslaidininkių tipų, kurių kiekvienas reguliuoja vožtuvo atsidarymą ir uždarymą keisdamas jam taikomą įtampą, šviesos intensyvumą, temperatūrą ir pan., ir skiriasi ne tik dirgiklio tipu, į kurį reaguoja, bet ir gnybtų, kuriais teka srovė, skaičiumi. Pristatysime du paprasčiausius puslaidininkinius įrenginius. Diodas turi vieną vožtuvą, du gnybtus ir gali leisti srovei tekėti iš vienos pusės į kitą arba visai netekėti, priklausomai nuo įtampos pokyčio. Tranzistorius turi tris gnybtus, o jo užduotis yra padalyti iš vieno gnybto tekančią srovę tam tikru santykiu su kitais dviem, priklausomai nuo įtampos pokyčio.
Iki šiol trumpai aprašiau, kas yra puslaidininkiai ir kaip jie veikia. Apibendrinant galima pasakyti, kad puslaidininkiai yra įrenginiai, galintys kaupti, perkelti ir manipuliuoti elektromagnetine energija ir informacija. Be to, puslaidininkiai naudojami ne tik elektriniams signalams valdyti, bet ir atlieka pagrindinį vaidmenį kuriant pažangias technologijas, tokias kaip dirbtinis intelektas, daiktų internetas (IoT) ir autonominės transporto priemonės. Šių technologijų plėtra yra glaudžiai susijusi su puslaidininkių technologijų plėtra, ir tikimasi, kad puslaidininkiai vaidins pagrindinį vaidmenį kuriant ateities technologijas.
Taigi, kokia yra pagrindinė šiuolaikinės puslaidininkių pramonės konkurencingumo augimo priežastis, skatinanti kurti naujus elektroninius prietaisus ir patenkinti didžiulę puslaidininkių paklausą? Tai yra tai, ką pramonė dažnai vadina „Dievo dovana“: smėliu, antra pagal gausumą ir pigiausia medžiaga Žemės paviršiuje. Smėlis yra oksiduotas silicis. Silicis yra elementas, esantis periodinės lentelės viduryje ir yra geriausias puslaidininkis tarp laidininkų ir nelaidininkų. Šios pigios ir gausios medžiagos pranašumai ir galimybės paskatino „Bell Labs“ William Bradford Shockley, Johno Bardeeno ir Walterio Brattaino sukurti dvipolio jungties tranzistorių. Nuo tada tyrimai buvo sutelkti į JAV, įskaitant lauko efekto tranzistorių kūrimą. Šis tyrimas buvo ne tik mokslo laimėjimas, bet ir komercinė sėkmė. Tai reiškė, kad puslaidininkiai tapo ne tik akademinių tyrimų objektu, bet ir buvo pripažinti labai svarbiu ekonominiu ištekliu.
Svarbiausia, kad Jacko Kilby ir Roberto Nortono Noyce'o integruotos grandinės sukūrimas buvo pagrindinis puslaidininkių kūrimo lūžis ir atrama. Integrinio grandyno kūrimas buvo toks įtakingas, kad jis buvo apdovanotas Nobelio fizikos premija, nors tai ir nebuvo gryna fizika. Norėdami iliustruoti integrinių grandynų galią paprastu pavyzdžiu, kurį matome aplinkui, galime pažvelgti į lituotų radijo imtuvų pavyzdį, su kuriais mes visi buvome susipažinę mokykloje. Šie radijo imtuvai tiesiog turėjo visus reikiamus komponentus lentoje ir tada juos sulitavo. Taip yra todėl, kad lentos jau buvo suprojektuotos ir pažymėtos srovės tekėjimo takais. Kai turite dizainą, kuris tinka jūsų tikslui, galite jį gaminti labai pigiai, kartodami dizainą vėl ir vėl, kaip ir graviruodami ar tapydami. Tačiau dar įdomiau yra tai, kad dabar mes turime dešimtis tūkstančių tranzistorių luste, visi sujungti į integruotą grandinę, ir jie visi veikia kartu vienu metu. Tai neįtikėtinai lengva ir pigu gaminti.
Daugelis puslaidininkių ir puslaidininkių elektronikos įmonių per pastaruosius kelis dešimtmečius padarė neįtikėtiną produktų, pajamų ir technologijų pažangą. Pasauliniu mastu tokios kompanijos kaip Intel, Fairchild, Texas Instruments, Qualcomm, Samsung, LG, Hynix ir daugelis kitų Silicio slėnio elektronikos kompanijų pakeitė pasaulį. Visų pirma Pietų Korėjos „Samsung Electronics“ ir „Hynix“ įsitvirtino kaip pasaulinės atminties puslaidininkių lyderės, kurios labai prisidėjo prie Pietų Korėjos ekonomikos augimo. Puslaidininkių pramonė nebėra tik technologijų pramonė, bet svarbi, tiesiogiai susijusi su šalių ekonominiu konkurencingumu. Valdydami nematomą elektronų srautą, puslaidininkiai sukūrė naują erą ir padarė revoliuciją ekonomikoje, todėl jie tapo viena galingiausių ir mažiausių jėgų, pakeitusių pasaulį.
