Introduksjon av halvleder og topp trender i industrien 2022

Halvledere er drivkraften av moderne elektronikk og den viktigste funksjonen for kommunikasjon, databehandling, energi, transport, IoT systemer bare for å nevne noen. Nesten alle enheter vi bruker hverdagen har en halvleder, dermed kan ingen overvurdere viktigheten deres i den tekniske verdenen. I dag skal vi gå inn på hovedfunksjonene til en halvleder, finne ut hva som er på innsiden av dette nødvendige elementet og hvilke trender som fremskynder dens utvikling i dag. 

Hva er halvleder? 

En halvleder er et materiale som har elektrisk egenskaper mellom ledere og isolator. Ledere er stoffer som enkelt kan overfører elektrisitet, mens isolatorer overfører elektrisitet dårligere. Halvleder industrien bruker silisium som sitt hovedmateriale. Silisium fungerer godt som en halvleder, men har ikke nødvendigvis funksjoner til å gjøre det til en god transistor. For å endre dette legger produsentene urenheter til silisium krystallstrukturen. Urenheter er atomer som ikke passer inn i den vanlige ordningen av krystallgitter. Ved å legge til disse urenhetene, kan produsenten kontrollere hvor enkelt elektrodene og hull beveger seg gjennom silisiumet. Silisium er grunnleggende for alle moderne elektroniske enheter. Transistor teknologi ble først utviklet ved bruk av germanium, en halvleder med lignende egenskaper som silisium. Germanium blir fortsatt brukt i dag, men silisium er enklere å arbeide med. Det er derfor silisium fortsatt er det ledende halvleder materialet.

Type halvledere 

Halvledere kan klassifiseres basert på om de en indre eller ytre halvledere. Indre halvledere betyr at det ikke finnes noen urenheter i materialet. Ytre halvledere betyr at materiale trenger doping for å bli ledende og er derfor betraktet som en halvleder. 

Indre halvledere (ren type) 

Indre halvledere har ingen tilleggs elementer i dem. Disse materialene trenger ikke å bli ladet fra utsiden for å lede elektrisitet. Iboende halvledende materiale blir ofte kalt bulk materialer. Eksempler på indre halvledere er silisium (Si)  og germanium (Ge).

Ytre halvledere (uren type)

Ytre halvleder trenger doping for at de skal bli ledende. Et eksempel på en ytre halvleder vil være galliumarsenid, som ofte blir brukt i transistorer. Her har arsenid atomer blitt lagt til krystallstrukturen av gallium for å skape positive ladninger.  Disse ladningene virker som en elektron felle, som gjør at halvledere blir elektrisk ledende. 

• N-type halvleder er de som bruker elektron for sine ladninger. For å kunne være ledende, må de dopes med enkelte elementer. En av de mest brukte dopingmidlene er arensid. Arensid er lagt til halvlederen for å skape en negativ ladning kalt elektroner. 
• P-type halvledere har positive ladninger. For å bli ledende må de dopes med visse metaller. Aluminium er ofte brukt for å dope en p type halvleder. 

Viktigheten av halvledere i IT industrien 

IT industrien kan ikke separeres fra utviklingen av halvleder industrien. Eksempler på halvledere er transistorer, MOSFETs, ICer, og dioder. En av de mest brukte halvleder materialene brukt i utviklingen av elektroniske enheter er transistorer. Innovasjonen av transistorer i 1947, hjalp utviklingen av andregenerasjons datamaskiner, til å bli mindre, raskere, mer pålitelige og mer energieffektive enn forgjengeren. Det var begynnelsen på transistorer sin enorme utvikling, som ble startet av Shockley frem til fødselen av Fairchild halvledere. På tidlig 1960-tallet begynte vellykkede andregenerasjons datamaskiner å vise vei i forretninger, universiteter og i myndighetene. Disse andregenerasjons datamaskiner er datamaskiner som bruker full transistorer. Dette ble begynnelsen på den neste generasjonen av datamaskiner som bruker maskinvare basert LSI, VLSI, ULSI til superdatamaskiner. Starten på data nettverksteknologi i tillegg til internett som også er støttet av halvleder baserte enheter, ga oss IT teknologien slik vi kjenner den i dag. 

Halvledere i maskinvare utvikling 

Halvledere har revolusjonert elektronisk maskinvare, spesielt siden innovasjon av transistoren. Halvledere gjør maskinvare mer kompakt og har bedre data relaterte evner. Resultatet er at elektroniske komponenter er nå lettere å få tak i til rimelige priser på den åpne markedet. Dette gjør det enklere for nye utviklere å drive med forskning og innovasjon. 

LANARS tilbyr maskinvare utvikling tjenester for å skape nye produkter og forretninger, i tillegg til å forbedre eksisterende.

Halvlederen som også er kjent som brikkesett er det viktigste komponentet. Til tross for størrelsen, er halvleder databrikker hjernen av et elektronisk system. I digitale enheter er tilværestedelsen av halvledere essensielt for å øke hastighetene av digitale signaler, inkludert minne for datalagring. 

Fordeler og ulemper ved bruk av halvledere

Fordel ved å bruke halvleder

1. Gjør enheten smartere. Den kan kategoriseres som en digital enhet siden den har ‘’hjerne’’ kontroller
2. Mindre fotavtrykk (mer kompakte enheter) 
3. Flere muligheter for ulike utviklinger (fra kalkulator til mini datamaskin)

Ulemper ved å bruke halvleder

1. Mer kompleks i designprosessen
2. Krever høyere ferdigheter og kunnskap fra utviklere
3. Må behandles med forsiktighet da den er følsom overfor elektrostatisk elektrisitet

Halvleder industri trend 

Da vi nå er i den industrielle 4.0 æra, fortsetter behovet for halvleder brikker å vokse. Halvleder industrien er betraktet som hjerte av digital transformasjon. Utviklingen av datamaskiner, telekommunikasjon industrien, bilutstyr, spesielt elbiler (EVer), i tillegg til at digitalisering i mange sektorer krever beredskap for halvleder industrien for å klargjøre de nødvendige ressursene. 

Innvirkning av pandemi 

Midt i en økende etterspørsels periode  av halvledere, kom den globale COVID-19 pandemien i 2020 og stengte ned omtrent hele industrien. Dette hadde også en innvirkning på forsyning av halvledere, som resulterte i redusert forsyning, som i tillegg har en innvirkning på andre industrier.  Industriene som ble påvirket, inkluderer datamaskiner, Smart TVer, Smarttelefoner, Ipad, spill konsoller og andre elektroniske enheter og bilindustrien. På den annen siden har COVID-19 økt behovet for datamaskiner og gadgets med tanke på retningslinjer om hjemme skole eller å jobb hjemmefra. Denne tilstanden har fått prisene for halvledere til å stige fra 2020 til nåværende tid. Implikasjonene førte til at de største aktørenen i 2021, slik som TSMC faktisk får fortjeneste på grunn av manglende forsyning på brikkesett på det globale markedet.  

Industri prognose

Hvis de 10 største brikkesett produsentene hadde gått sammen, ville de fått en total fortjeneste på 127.4 milliarder dollar i 2021, Ifølge en rapport fra research firma TrendForce.  Dette er en økning på 48 % i sammenligning med det forrige året.  For 2022, er det rapportert av Deloitte, at noen observatører mener at salg av halvledere vil vokse tilbake 10 %, og kan overskride 600 milliarder dollar for første gang i 2022. Halvleder trender vil fortsatt være nødvendig av ulike industrier, selv om det er spådd økonomisk usikkerhet, er brikkesett forventet å bli gjenvunnet i 2023. 

Halvlederteknologi trender 

Slutten på Moore’s Law? 

Moore's Law spår at antall transistorer vil dobles for hvert år, den er brukt som referanse av halvleder industrien for å sette mål for research og utvikling. Dette er bevist ved fødselen av mikroprosessor kapasiteter som øker for hvert år. Men selv Moore's law vil tilsutt møte en ugjennomtrengelig grense. Å redusere data ytelse ved å legge til transistorer har så langt blitt gjort ved å reduserer størrelsen på transistoren så den kan passe på det samme stedet. For et par år siden påpekte fysiker, Michio Kaku at det var et punkt hvor silisium materiale brukt til å lage transistoren  — eller erstatning av det —  ikke kunne reduseres. 

Ny materialutvikling

Flere studier har tatt i bruk andre materialer for utvikling av halvledere. Tredjegenerasjons materialer som galliumnitrid (GaN) og silisiumkarbid (SiC), lover høy temperatur motstand, høy sammenspenning, høy frekvens og høy stråling motstand. Men i lange perioder var bruken av disse materialene begrenset til noen få felt på grunn av dens komplekse prosessmetoder og høye priser. 

I de siste årene, har vekst av materiale og enhets fabrikasjon hjulpet med å redusere kostnadene ved tredjegenerasjons halvleder materialer, som muliggjør et bredere spekter av applikasjoner. For eksempel, SiC-baserte enheter for bil oppfinnere og GaN basert hurtigladere dukket opp på markedet.

Halvlederteknologi trender har også blitt omdiskutert til å forbedre brikke evner, inkludert parallell datahåndtering, kvantum datahåndtering til protein datamaskiner som jobber med DNA. 

Oppsummering

Halvledere er materiale som har elektriske egenskaper mellom ledere og isolatorer. Halvledere har gitt en drastisk endring i den teknologiske utviklingen. Fra Shockley og Fairchild som lager transistorer til store brikkesett produsenter til giganter som Intel som bruker halvledere til å skape teknologi som spiller en viktig rolle i utviklingen av datamaskiner, gadgets, husholdningsapparater, automatisering, telekommunikasjons osv. 

Den teknologiske trenden av Moore’s law har allerede skjedd, og det er spådd at antall tettheter i transistorer i en wafer også vil bli oppnådd. Derfor er det utført ulike utviklinger for å maksimere halvledere som bruk av tredjegenerasjons materialer, kvantedata behandling osv. Halvleder trender vil fortsatt være nødvendig i ulike bransjer, selv om økonomisk usikkerhet er spådd, er det også forventet vekst i tilgjengeligheten av brikkesett eller halvledere i 2023.