Сложные полупроводники: Полупроводниковые Сложные полупроводники — Энциклопедия по машиностроению XXL

Полупроводниковые Сложные полупроводники — Энциклопедия по машиностроению XXL

Значительное место в электротехнике занимают полупроводниковые материалы (полупроводники). В результате разработки и изучения свойств полупроводников был создан ряд новых приборов (усилители, выпрямители, фотоэлементы и др.), позволивших успешно решить сложные вопросы современной электротехники. При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других электротехнических материалов можно создать электрооборудование малых габаритов и веса, надежное в эксплуатации. Это имеет очень важное технико-экономическое значение, но для реализации этих мероприятий необходимы сведения о свойствах и применении современных электротехнических материалов, которые весьма разнообразны.  [c.3]
Электрофизические свойства кристаллов определяются, как было выяснено в гл. 3, содержащимися в них структурными дефектами и примесями. Требование продолжительности и стабильности работы полупроводниковых приборов делает одной из важнейших задач технологии задачу получения совершенных монокристаллов с заданным значением параметров. Однако получение чистых элементарных веществ, необходимых для производства различных, в том числе легированных и сложных, полупроводников, используемых для создания приборов, является чрезвычайно сложным технологическим процессом.  
[c.190]

В таблицы в основном включены данные о полупроводниках с Egполупроводниковые соединения не описаны . Не приведены также сведения о параметрах различных полупроводниковых приборов.  [c.455]

При создании электрич. поля у поверхности полупроводникового источника электронов Ш. э. приобретает значительно более сложный характер, чем в случае металла. Наряду с понижением внеш. потенц. барьера здесь наблюдается как частичное проникновение электрич. поля внутрь полупроводника на глубину, зависящую от концентрации свободных зарядов, так и его частичное экранирование слоем поверхностных зарядов. В результате электрич. поле, как правило, оказывает большее влияние на работу выхода электрона, а следовательно, и на силу электронного тока у полупроводников, чем у металлов.  

[c.468]

Ф-лы (1) следует рассматривать как оценочные, т. к. они не учитывают таких факторов, как, напр., влияние сложной зонной структуры кристалла (см. Зонная теория), взаимодействие электронов и дырок с фононами и др. Для полупроводников типа Ge и Si и групп А В , А В (см. Полупроводниковые материалы) типичны значения т-0, то, е- Ю, что приводит к значениям эВ,  [c.501]

В таблицы в основном включены данные о полупроводниках с Eg полупроводниковых соединений не приведены. Не приводятся также сведения о параметрах различных полупроводниковых приборов .  [c.342]

Еще более сложным является вопрос управления проводимостью в пленках не элементарных полупроводников, а полупроводниковых соединений. В настоящее время имеется опыт по изготовлению пленок таких соединений, как сернистый кадмий, селенид кадмия, сернистый свинец и др. При осаждении полупроводниковых пленок в большинстве случаев имеет место частичное разложение исходного вещества на отдельные компоненты. В связи с этим практически невозможно получить пленку стехиометрического состава.  

[c.165]

Технологический процесс выращивания монокристаллов не элементарных полупроводников, а полупроводниковых химических соединений значительно сложнее и состоит из следующих этапов  [c.177]


Полупроводники широко используют в электронике и энергетике. Применение полупроводников в области электроники, и особенно радиоэлектроники, открыло большие перспективы создания электронного оборудования новых типов и дало возможность решить многие сложные проблемы. В области энергетики полупроводниковые элементы применяют для преобразования тепловой, световой и атомной энергии в электрическую. Примером могут служить солнечные батареи, успешно используемые на искусственных спутниках Земли и многочисленных наземных установках. Полупроводники успешно применяют в малогабаритных и мощных выпрямительных элементах, рассчитанных на сотни и тысячи киловатт и обладающих высокой надежностью и механической устойчивостью.  
[c.180]

Уже на заре развития полупроводниковой электроники остро встал вопрос о возможности использования оксидных пленок не только для пассивирования свойств поверхности, но и в качестве изолирующего слоя в планарных приборах. При этом необходимо было добиться минимальной плотности поверхностных электронных состояний на границе полупроводника с его собственным окислом. Экзамен выдержала структура 81-8102 — кремний, покрытый его собственным окислом. До сих пор система 81-8102 является сердцем современной микроэлектроники. Менее совершенна система Ое-ОеО . Однако, благодаря ряду преимуществ, она часто используется как модельная для изучения электронных явлений на поверхности. Состав и структура оксидных поверхностных фаз в многокомпонентных полупроводниковых соединениях неизмеримо более сложны, что является серьезным препятствием для изучения их электрофизических свойств. Технология синтеза оксидных слоев на многих практически важных соединениях и Л В еще не позволяет достичь уровня  

[c.121]

Полупроводниковые кристаллы относятся главным образом к классу диэлектриков с ковалентной связью ). Из простых веществ с полупроводниковыми свойствами наименее сложной кристаллической структурой обладают элементы IV группы периодической системы из них наиболее важны германий и кремний. Углерод в форме алмаза относится, строго говоря, к диэлектрикам, поскольку у него ширина запрещенной зоны составляет около 5,5 эВ. Олово в аллотропной форме серого олова представляет собой полупроводник с очень малой щелью. (Свинец — это, конечно, металл.) Другие полупроводниковые элементы — красный фосфор, бор, селен и теллур — обладают весьма сложной кристаллической структурой и характеризуются ковалентной связью.  [c.188]

Приведенные простые эмпирические закономерности оказались полезными с точки зрения прогнозирования полупроводниковых производных от известных полупроводниковых соединений, в частности большой группы полупроводников сложного состава (твердые растворы, бинарные, тройные и др. соединения), производной от А В — .  [c.73]

Рассмотрим поведение примесей в полупроводниковых соединениях на примере соединений типа А «В . Поведение примесей в соединениях типа так же, как и в элементарных полупроводниках, определяется положением примеси в периодической системе, однако оно становится более сложным из-за усложнения строения основного вещества. В соединениях возрастает число различных позиций, которые могут занимать примесные атомы.  [c.132]

Для бинарных систем диаграммы плавления-затвердевания, как уже обсуждалось ранее, весьма разнообразны и сложны. На рис. 5.1 приведена типичная диаграмма полупроводниковой системы диаграмма состояния системы Ое-ЗЬ. Однако для небольших концентраций примеси в полупроводнике все сложные диаграммы можно свести к двум типам без потери общности рассуждений при описании процессов кристаллизационной очистки. Действительно, в области малых концентраций примеси, то есть в области, примыкающей к точке плавления чистого компонента, различия между разными типами фазовых диаграмм пропадают линии ликвидуса Ь и солидуса 5 в этих областях можно аппроксимировать прямыми линиями, касательными к кривым и 5 в точке плавления основного компонента (рис. 5.2). В результате имеем два типа диаграмм  

[c.193]

Использующиеся в практике полупроводники могут быть подразделены на простые полупроводники (их основной состав образован атомами одного химического элемента) и сложные полупроводниковые композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов. В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники. Простых полупроводников существует около десятка, они приведены в табл. 8-2. В современной технике особое значение приобрели кремний, германий и частично селен. Сложными полупроводниками являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам (например, Si ), A4 Bv (InSb, GaAs, GaP), A B>v ( dS, ZnSe), a также некоторые  

[c.230]


Существует класс полупроводниковых приборов, выполненных на основе смешанных окислов переходных металлов, которые известны под общим названием термисторов. Термин термистор происходит от слов термочувствительный резистор . Толчком к разработке термисторов послужила необходимость компенсировать изменение параметров электронных схем под влиянием колебаний температуры. Первые термисторы изготавливались на основе двуокиси урана ПОг, но затем в начале 30-х годов стали использовать шпинель MgTiOз. Оказалось, что удельное сопротивление MgTiOз и его температурный коэффициент сопротивления (ТКС) легко варьируются путем контролируемого восстановления в водороде и путем изменений концентрации MgO по сравнению со стехиометрической. Использовалась также окись меди СиО. Современные термисторы [60, 61] почти всегда представляют собой нестехиометрические смеси окислов и изготавливаются путем спекания микронных частиц компонентов в контролируемой атмосфере. В зависимости от того, в какой атмосфере происходит спекание (окислительной или восстановительной), может получиться, например, полупроводник п-типа на поверхности зерна, переходящий в полупроводник р-типа в глубине зерна, со всеми вытекающими отсюда последствиями для процессов проводимости. Помимо характера проводимости в отдельном зерне, на проводимость материала оказывают существенное влияние также процессы на границах между спеченными зернами. Высокочастотная дисперсия у термисторов, например, возникает вследствие того, что они представляют собой сложную структуру, образованную зонами плохой проводимости на границах зерен и зонами относительно высокой проводимости внутри зерен.  
[c.243]

Германий как полупроводник играет важную роль в полупроводниковой электронике. В этой области инфоко используют германий для изготовления кристаллических выпрямителей (диодов) и кристаллических усилителей (триодов или транзисторов]. Кристаллические выпрямители и усилители обладают рядом преимуществ перед электронными лампами потребляемая ими мощность значительно ниже, чем у вакуумных ламп, а poir их службы длительнее они отличаются большей механической устойчивостью по отношению к вибрациям и ударам, чем электронные лампы, и имеют по сравнению с ними значительно меньшие размеры. Это делает особенно перспективным их применение в сложных счетных машинах, телемеханике, радарных установках и т. п.  [c.531]

ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ — люминесценция, продолжающаяся значительное время после прекращения ее возбуждения ФОТО ДЕЛЕНИЕ — деление атомного ядра гамма-квантами ФОТОДИССОЦИАЦИЯ—разложение под действием света сложных молекул на более простые ФОТОИОНИЗАЦИЯ — процесс ионизации атомов и молекул газов под действием электромагнитного излучения ФОТОКАТОД — холодный катод фотоэлектронных приборов, испускающий в вакуум электроны под действием оптического излучения ФОТОЛИЗ— разложение под действием света твердых, жидких и газообразных веществ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ—люминесценция, возникающая под действием света ФОТОМЕТРИЯ— раздел физической оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики оптического излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом ФОТОПРОВОДИМОСТЬ изменение электрической проводимости полупроводника под действием света ФОТОРЕЗИСТОР — полупроводниковый фотоэлемент, изменяющий свою электрическую проводимость под действием электромагнитного излучения ФОТОРОЖ-ДБНИЕ — процесс образования частиц на атомных ядрах и нуклонах под действием гамма-квантов высокой энергии ФОТОУПРУГОСТЬ — возникновение оптической анизотропии и связанного с ней двойного лучепреломления в первоначально оптически изотропных телах при их деформации  

[c.293]

Гетеролазеры и гетерофотоприём-н и к и, используемые в сочетании с плёночными полупроводниковыми Болиоводами, могут выполняться на основе единой Г. и на общей полупроводниковой подложке объединяться (интегрироваться) в оптич. схему (методами планарной технологии). Для управления условиями генерации и распространения света часто используются сложные Г., активный слой к-рых состоит из неск. слоев постоянного или плавно изменяющегося состава с соответствующим изменением Sg. Помимо локализации света в пределах одного или неск, слоёв в плоскости ГП, при создании интегрально-оптнч. схем возникает необходимость дополнит, локализации световых потоков в плоскости волноводных слоёв (в плоскости ГП). Такие волноводы наз. полосковыми и создаются изменением либо состава и свойств полупроводника в плоскости ВОЛ1ГОВОДНОГО слоя, либо толщины слоёв, Встраивание гетеролазера в волноводную схему осуществляется с помощью оптического резонатора, образуемого периодич, модуляцией толщины волноводного слоя. При определ. выборе периода модуляции благодаря дифракции в волноводе возникает волна, бегущая в обратном направлении. В результате формируется распределённое отражение света (см. Интегральная оптика).  [c.449]

По составу полупроводниковые материалы могут быть простыми и сложными. К простым относят такие полупроводники, как Ge, Si и Se, сложными являются, например, химические соединения типа Aj By (InP, ZnS, GaAs), твердые растворы замещения (1п Оа , ASyPj ) и др.  [c.378]

Большое значение приобретает проблема получения гетероэпитаксиаль ных композиций разнообразных полупроводников с использованием i качестве подложек таких хорошо освоенных и сравнительно дешевы материалов, как монокристаллические кремний и германий. Особенно актуальна эта проблема для технологически сложных разлагающихся полупроводниковых соединений, для которых получение достаточно совершенных монокристаллов путем выращивания из расплава встречает принципиальные затруднения. Ее решение открывает путь к монолитной интеграции разнородных полупроводниковых материалов, что являете новым шагом в развитии полупроводникового приборостроения. Однакс при этом необходимо преодолеть ряд принципиальных трудностей в создании структурно совершенных гетерокомпозиций, обусловленных, прежде всего, существенными различиями в кристаллических решетках физико-химической природе составляющих гетеропару материалов. Дальнейшее развитие таких гибких низкотемпературных технологических про-  [c.85]


Химические методы получения простых полупроводников и чистых элементов, используемых при легировании и в производстве сложных полупроводниковых материалов, обеспечивают высокую степень очистки. Дистилляцией (испарение жидкой фазы) удаляют легкоиспаряющи-еся примеси, ректификацией (многократное испарение и конденсация) — примеси, имеющие невысокие температуры плавления, испарения и большой интервал жидкого состояния. Сублимацией (испарение твердой фазы) очищают от механических примесей и газов и получают монокристалл. Перечисленными методами можно получать монокристаллы с высоким значением удельного электросопротивления. Например, монокристалл германия при р = 0,10 Ом -м содержит в 1 м 10 ° атомов примесей (см. рис. 18.10).  [c.590]

В гл. 1 мы показали, что процесс, который переводит атомы с уровня 1 на уровень 3 (для трехуровневого лазера см. рис. 1.4, а) или с уровня О на уровень 3 (для четырехуровневого лазера см. рис. 1.4,6), называется накачкой. Накачка осуществляется, как правило, одним из следующих двух способов оптическим или электрическим. При оптической накачке излучение мощного источника света поглощается активной средой и таким образом переводит атомы активной среды на верхний уровень. Этот способ особенно хорошо подходит для твердотельных (например, для рубинового или неодимового) или жидкостных (например, на красителе) лазеров. Механизмы ушире-ния линий в твердых телах и жидкостях приводят к очень значительному уширению спектральных линий, так что обычно мы имеем дело не с накачкой уровней, а с накачкой полос поглощения. Следовательно, эти полосы поглощают заметную долю (обычно широкополосного) света, излучаемого лампой накачки. Электрическая накачка осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда, и ее особенно хорошо применять для газовых и полупроводниковых лазеров. В частности, в газовых лазерах из-за того, что у них спектральная ширина линий поглощения невелика, а лампы для накачки дают широкополосное излучение, осуществить оптическую накачку довольно трудно. Замечательным исключением, которое следует отметить, является цезиевый лазер с оптической накачкой, когда пары s возбуждаются лампой, содержащей Не при низком давлении. В данном случае условия для оптической накачки вполне благоприятны, поскольку интенсивная линия излучения Не с 390 нм (достаточно узкая благодаря низкому давлению) совпадает с линиями поглощения s. Фактически этот лазер представляет интерес лишь в историческом плане, как одна из первых предложенных лазерных схем. Кроме того, его реализация на практике является весьма сложной, поскольку пары s, которые для обеспечения достаточного давления газа необходимо поддерживать при температуре 175 °С, представляют собой весьма агрессивную среду. Оптическую накачку весьма эффективно можно было бы использовать для полупроводнико-  [c.108]

Как при изготовлении собственно волноводных структур, так и при оформлении систем управляющих электродов используются различные виды микролитографических процессов, разработанных и широко применяемых в классической планарной технологии полупроводниковых интегральных схем. Применение сложных ге-теропереходных структур на основе полупроводников А В , таких, как тройные системы арсенид галлия-алюминия или четверные ар-сенид-фосфид галлия-индия, позволило создать первые варианты  [c.219]

Итак, из математической логики известно, что простейшие суждения могут быть либо истинными, либо ложными. Элементарными логическими операциями являются не , и , или . Сложные логические операции, составленные из элементарных, позволяют реализовать правила арифметических действий наиболее просто в двоичной системе счисления. Вот почему в качестве основного звена счетного аппарата ЭЦВЛ используется, например, электронная лампа или соответствующий полупроводниковый элемент. Известно, что электронная лампа способна находиться в двух различных устойчивых состояниях она может проводить ток (лампа открыта ), но может и не проводить его (лампа закрыта ). Когда лампа открыта , т. е. когда на выходной клемме высокое напряжение, ее состояние соответствует единице (1), когда лампа закрыта , т. е. когда на выходной клемме низкое напряжение ее состояние соответствует нулю (0). Аналогичное положение наблюдается и у полупроводников.  [c.232]

Долгое время будут актуальны и поиски новых методов накачки. В этом плане следует упомянуть об изучении особенностей оптической накачки полупроводниковых квантовых генераторов и генераторов на углекислом газе. Настойчиво ведется поиск способов электронного возбуждения генерации излучения парами сложных молекул. Разработан фотодиссоциационный лазер успешно применяется лазер, действующий на основе ионизации молекул электронным ударом. В Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР исследуется возможность создания лазера с накачкой синхротронным излучением. Сотрудники этого института и Белорусского государственного университета разрабатывают теорию отражения света от усиливающих сред. Возможно, что на этом пути будут построены генераторы нового типа.  [c.125]

Уходя с участка ремонта генераторов, мы прошли мимо еще нескольких стендов на одних испытывали угольные регуляторы напряжения, на других настраивали сложные полупроводниковые приборы. Кстати, полупроводники широко применяются в вагонном электрооборудовании. Сначала они вытеснили радиолампы из приемника, установленного в радиокупе. Потом с их помощью начали преобразовывать переменный ток в постоянный и поддерживать напряжение в электросети вагона на нужном уровне. Теперь во всех строящихся пассажирских вагонах диоды, транзисторы и тиристоры так же распространены, как болты и гайки.  [c.68]

Электрическая структура оксидов многих металлов чисто полупроводниковая. Наслоения оксида на металлической поверхности имеют более сложную переходную структуру от металлического проводника к полупроводнику. Поверхностный слой разориенти-рованных кристаллов по своей электрической структуре иногда ближе подходит к полупроводникам, чем к металлу.  [c.11]

В этом случае полное число электронов, участвующих в формировании химических связей у элементарного бора, будет равно 5. Этому предположению соответствует значительно более сложная по сравнению с другими элементарными полупроводниками кристаллическая структура бора, основной структурной единицей которой являются икосаэдриче-ские группы Bi2 (правильные двадцатигранники, в которых каждый атом имеет пять соседей, см. рис. 2.18). Существует несколько полиморфных модификаций бора, среди которых полупроводниковыми свойствами обладают только ромбоэдрические модификации бора (метастабильная а-форма и стабильная /3-форма). Элементарная ячейка а-В состоит из 12 атомов, а ячейка /3-В — из 105 атомов. Бор химически инертен и обладает твердостью, близкой к твердости алмаза. Это обусловлено образованием прочных ковалентных связей (расстояние В-В равно 1.71 А) и трудностью их разрыва, что определяет и высокую температуру кипения данного вещества.  [c.52]

Далее следует обратить внимание на то, что в правиле Музера-Пир-сона оговаривается только число В атомов элемента, входящего в состав полупроводника, а роль А атомов сводится к добавлению электронов в суммарное число валентных электронов Пд. Это позволяет предполагать, что можно посредством замены компонента А в исходном соединении получать не только полупроводниковые твердые растворы, производные от соединений А В — , но и другие бинарные, тройные и более сложные полупроводниковые соединения, но уже, возможно, со структурой, производной от алмазоподобной. В этом случае замещающие элементы выбираются из групп периодической таблицы, отличных от той, в которой расположен замещаемый атом А, однако при этом должны удовлетворяться общие закономерности образования полупроводников (см. выше).  [c.77]


Полупро- водники Простые полупроводники Сложные полупроводниковые соединения и их твердые раствЪры Ферриты а-кварц, сегнетоэлектрики Окислы металлов Генераторы электромагнитных колебаний, усилители и выпрямители тока, преобразователи энергии, магнитные устройства, сегнетоэлектриче-ские устройства, катализаторы  [c.217]

Сложные полупроводники

Производство Сложные полупроводники

просмотров — 1325

Простые полупроводники

Простыми называются полупроводники, основной состав которых образован атомами одного химического элемента (германий, кремний, селœен, теллур).

В полупроводниках свободных электронов немного. Это объясняется тем, что валентные электроны связаны со своими атомами и принимают участие в образовании ковалентных связей в кристаллической решетке с другими атомами. Ток в полупроводниках может возникнуть и изменяться в широких пределах только под влиянием внешних воздействий: нагревания, облучения, давления или при введении некоторых примесей.

Германий и кремний – элементы четвертой группы периодической системы Менделœеева. Исходными сырьевыми материалами для получения германия служат цинковые и сульфидные руды. Слиток германия получают в результате сложных химических процессов. Затем слиток методом зонной плавки освобождают от примесей, расплавляют в вакууме и вытягивают с определœенной скоростью чистый монокристалл в виде сплошного цилиндра заданного диаметра.

Германий имеет ярко-серебристый цвет, его температура плавления 937 оС. Все сорта германия обладают большой твердостью, хрупкостью и легко увлажняются. Германий широко применяется для производства диодов и фотоэлементов.

Исходным материалом для производства кремния служит кремнезем, который широко распространен в природе. Технология получения кремния подобна получению германия. Образцы полированного кремния имеют цвет стали. Температура его плавления 1420 оС. Кремний, как и германий,- хрупкий материал. Верхний предел рабочих температур полупроводниковых приборов на основе кремния 150-200оС, а на основе германия — 70-80оС, в связи с этим кремний применяют более широко в производстве микросхем.

Структура сложных полупроводников образована атомами различных химических элементов. Наиболее широкое применение нашли неорганические кристаллические полупроводники, к примеру, карбид кремния – двойное соединœение элементов 4 группы Периодической системы Менделœеева углерода и кремния. Исходными материалами для его получения является кварцевый песок и кокс. Для получения полупроводников с электропроводностью n-типа (донорная проводимость, возникающая за счет электронов) карбид кремния легируют фосфором, сурьмой или висмутом, ᴛ.ᴇ. элементами пятой группы. Такие материалы имеют темно-зелœеную окраску. Кристаллы карбида кремния с дырочной проводимостью р-типа выращивают при легировании элементами 2 группы (бор, алюминий, галлий, индий) и 3 группы (кальций, магний).

Чистый карбид кремния бесцветен, его температура плавления 2700оС. Карбид кремния обладает высокой химической стойкостью. Важнейшим и широко используемым свойством карбида кремния является его способность к люминœесценции в видимой части спектра. Карбид кремния благодаря высокой твердости используют для механической обработки различных материалов. В основном наиболее чистые сорта карбида применяют в производстве варисторов (нелинœейных сопротивлений, используемых в устройствах автоматического регулирования), светодиодов, выпрямительных и туннельных диодов, транзисторов. Эти полупроводниковые приборы сохраняют работоспособность при температуре до 700оС, в связи с этим их применяют для контроля высокотемпературных процессов в доменных печах, реактивных турбинах и др.

Таблица 8 — Основные свойства полупроводниковых материалов

Свойства Германий Кремний Селœен Карбид кремния
Состав        
Плотность, (кг/м3)        
Рабочие температуры, (оC)        
Температура плавления, (оC)        
Ширина запрещенной зоны, (эВ)        
Удельное электрическое сопротивление, (Ом·м)        
Химическая стойкость        
Достоинства        
Недостатки        
Область применения        

Читайте также


  • — Сложные полупроводники

    Простые полупроводники Простыми называются полупроводники, основной состав которых образован атомами одного химического элемента (германий, кремний, селен, теллур). В полупроводниках свободных электронов немного. Это объясняется тем, что валентные электроны… [читать подробенее]


  • Открытие завода Bosch по производству полупроводниковых пластин в Дрездене: новый этап

    Новая фабрика в Дрездене, полноценный запуск которой запланирован на июнь 2021 года, — ответ Bosch на растущее применение полупроводниковых приборов в разных отраслях, а также демонстрация приверженности Германии к высоким технологиям. На заводе будут изготавливать пластины диаметром 300 миллиметров, и при толщине всего 60 микрометров они будут тоньше человеческого волоса. В качестве специфических интегральных схем (ASIC) в автомобилях, например, эти полупроводники действуют как мозг автомобиля. Они обрабатывают информацию от датчиков и запускают дальнейшие действия, например, посылают молниеносное сообщение на подушку безопасности, чтобы сообщить ей о срабатывании. Хотя кремниевые чипы в размере всего несколько мм2, они содержат сложные схемы, иногда с несколькими миллионами отдельных электронных функций. Из пластин Bosch будет производить силовые полупроводники для использования в таких приложениях, как DC-DC преобразователи в электрических и гибридных автомобилях.

    Помимо автомобильной промышленности полупроводники находят все больше способов применения, в том числе в Интернете вещей.

    Изготовление чипа из полупроводниковой пластины — высокотехнологичный процесс, который включает в себя несколько сотен этапов. Для производства пластин требуется шесть недель и около 250 отдельных этапов изготовления — и все эти процессы полностью автоматизированы. В процессе работы на пластины наносятся мельчайшие детали размером в доли микрометра. Эти прототипы микросхем теперь могут быть впервые установлены и испытаны в электронных компонентах. В марте компания Bosch начнет первые производственные циклы по выпуску высокосложных интегральных схем.

    Строительство объекта началось в июне 2018 года на участке площадью около 100 000 м2, что сопоставимо с площадью 14 футбольных полей. Завод расположен в “Силиконовой Саксонии” — ответ Дрездена на Силиконовую Долину. В конце 2019 года было завершено строительство высокотехнологичной фабрики, обеспечивающей 72 000 м2 производственной площади. Затем начались работы по внутренней отделке, и установка первого производственного оборудования в чистом помещении. В ноябре 2020 года начальные элементы производства впервые завершили краткий автоматизированный производственный цикл. На заключительном этапе строительства на дрезденском заводе будут работать до 700 человек, которые будут контролировать и мониторить производство и техническое обслуживание оборудования.

    Финансирование нового проекта осуществляется федеральным правительством Германии и, в частности, Федеральным министерством экономики и энергетики. Bosch планирует официально открыть свою фабрику по производству полупроводниковых пластин в июне 2021 года.

    Полупроводниковые соединения

    Простые полупроводники не всегда отвечают требованиям современного производства полупроводниковых приборов. Для создания материалов с различными свойствами используют сложные неорганические и органические полупроводниковые соединения.

    1) Сложные полупроводники типа АIVBIV

    Единственным двойным соединением элементов IV группы в твердой фазе является соединение кремния с углеродом — карбид кремния SiC. Имеет большую ширину запретной зоны, тверд, способен к люминесценции в видимой части спектора.

    Используют для создания полупроводниковых приборов, работающих при температурах до 7000С, применяют для серийного выпуска варисторов (нелинейных сопротивлений), светодиодов, выпрямителей и туннельных диодов.

    2) Сложные полупроводники типа АIIIBV

    Химические соединения металлов III группы (бор, индий, галлий, алюминий) с элементами Vгруппы (азот, фосфор, сурьма, мышьяк) .

    Ширина запретной зоны измеряется в широких пределах, имеют высокую подвижность электронов, поглощают электромагнитное излучение, обладают фотопроводимостью, самопроизвольным и вынужденным излучением.

    Используют для создания высокочастотных полупроводниковых приборов, туннельных диодов, датчиков низких температур и т.д.

    3) Сложные полупроводники типа АIIBVI

    Двойные соединения халькогенов (сера, селен, теллур) с металлами II группы (цинк, кадмий, ртуть). Соединения с халькогенами (сульфиды, селениды, теллуриды) называют халькогенидами.

    Ширина запретной зоны от 3,7эВ до 0,02эВ, температура плавления от 1830 до 6700С, обладают высокой чувствительностью к излучению от инфракрасного до рентгеновского спектра, ярко проявляя фоторезистивные и люминесцентные свойства, широкий диапазон электропроводность: от малых значений до высоких.

    Используют для изготовления пленок обладающих высокимпьезомодулем, в качестве люминофоров (вещества, преобразующие поглощенную ими энергию в световое излучение) для всех видов люминесценции, как материалы для фоторезисторов.

    4) Сложные полупроводники типа АIVBVI

    Халькогениды свинца: сульфид свинца, селенид свинца, теллурид свинца.

    Не растворяются в воде, медленно окисляются на воздухе, при низких температурах проявляется излучательная рекомбинация носителей заряда, обладают фоторезистивными свойствами.

    Используют для создания лазеров инфракрасного диапазона, полупроводниковых пленок и термоэлементов.

    5) Сложные полупроводники типа АV2BVI3

    Сульфид сурьмы Sb2S3, селенид висмута Bi23, теллурид висмута Bi2Те3.

    Обладают высокой проводимостью и фоточувствительностью.

    Используют для изготовления фотопроводящих мишеней, передающих телевизионных пленок.

    6) оксидные полупроводники– бинарные соединения полярного типа, в которых ясно различаются металлический и неметаллический (металлоидный) компоненты и которые могут рассматриваться как ионные соединения (закись меди, оксид цинка, двуокись титана, оксид железа, оксид никеля).

    Преимущество оксидных полупроводников – технология их изготовления сравнительно проста. Смеси оксидов используют для изготовления терморезисторов (термисторов) с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления, фоторезисторов, варисторов, сопротивление которых сильно зависит от приложенного напряжения.

    7) стеклообразные полупроводники – неорганические стекла. Стеклообразность – особый вид аморфного вещества, имеющего механические свойства сходные с твердыми кристаллическими веществами. Примесная проводимость отсутствует.

    Полупроводниковыми свойствами обладают как кислородосодержащие стекла, так и бескислородные халькогенидные стекла.

    Не достаточно изучены и не нашли широкого применения.

    8) органические полупроводники

    Имеют в структуре твердые органические полупроводниковые ароматические кольца с сопряженными связями. Подвижность носителей заряда ниже чем у германия, эластичные, способные образовывать пленки и волокна, являются высокопрочными материалами. Фотопроводимость растет с увеличением освещенности и температуры.

    Делят на пять групп:

    — молекулярные кристаллы;

    — молекулярные комплексы;

    — металлоорганические комплексы;

    — полимерные полупроводники;

    — пигменты.

    Применяют для изготовления терморезисторов с высокой температурной стабильностью пьезоэлемента, резонансных контуров в интегральных схемах радиационных дозиметров, квантовых генераторов, тензодатчиков с высокой чувствительностью, приборы на основе органических полупроводников, отличаются высокой механической и климатической устойчивостью.

    Лекция 16, 17. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

    Обладают способностью при внесении в магнитное поле намагничиваться, часть из них сохраняют намагниченность при прекращении воздействия магнитного поля.

    Основные характеристики:

    петля гистерезиса

    О поведении ферромагнитных материалов в магнитном поле судят по зависимости В от Н, характеризующей процесс намагничивания и размагничивания материала .

    Если по катушке с ферромагнитным сердечником пропустить переменный ток, то этот сердечник будет периодически перемагничиваться.

    Электрическое поле:

    Магнитное поле:

    Допустим, что кольцевой сердечник не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. магнитная индукция В=0,Тл и напряженность Н=0, А/м (начало координат). При увеличении тока в катушке магнитная индукция в сердечнике возрастет до индукции насыщения Вmax в (.) а, кривая 1. При уменьшении тока индукция уменьшается до (.) b, кривая 2. При увеличении тока в противоположном направлении магнитное поле катушки компенсирует магнитное поле созданное доменами в сердечнике. При напряженности Нс результирующая магнитная индукция станет равна нулю (.) с, кривая 3. При дальнейшем увеличении тока в катушке произойдет перемагничивание сердечника, т.е. векторы намагниченности повернуться на 180 градусов и индукция В достигнет вновь своего насыщения, т.е. max (.) d, кривая 4. При дальнейшем уменьшении силы тока до нуля индукция уменьшится до своего остаточного значения (.) е, кривая 5. При увеличении тока в противоположном направлении произойдет намагничивание сердечника до исходного состояния (.) а, кривые 6 и 7. При изменении направления намагничивающего тока, а следовательно, и направления напряженности поля и постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля достигнет значения Нс, называемого коэрцитивной силой, при которой магнитная индукция В=0. Коэрцитивная сила влияет на площадь петли ‒ чем больше площадь петли, тем больше потери мощности на перемагничивание (гистерезис) .

    кривая намагничивания – показывает зависимость намагниченности (М, А/м) или магнитной индукции (В, Тл) материала от напряженности внешнего поля (Н, А/м).

    В=μ 0М, μ0=4π∙10-7 Гн/м — магнитная постоянная.

    Кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании и отражает изменение магнитной индукции Вв зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании.

    Зависимость В от Н технически чистого железа

    Магнитная напряженность материала является разницей между магнитными напряженностями внешнего Нв (напряженность внешнего поля, при замкнутой цепи равна напряженности магнитного поля в материале) и размагничивающего Нр (в разомкнутой магнитной цепи на концах материала появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле) полей.

    Участки кривой намагничивания: I — процесс смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов, II – поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля, III – завершение процесса намагничивания (сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика).

    магнитная проницаемость.

    Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной магнитной проницаемости μ а(Гн/м) и относительной магнитной проницаемости μ 00=1,257 мкГн/м).

    μ а=В/Н;

    μ=В/( μ оН)= μ а/ μ 0.

     

    Подставляя в формулу В и Н, получают различные виды магнитной проницаемости.

    Относительную магнитную проницаемости материала получают по основной кривой намагничивания, ее значение определяется при очень слабых полях (примерно 0,1А/м).

    В сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость стремится к единице.

    потери энергии при перемагничивании

    Необратимые потери электрической энергии, выделившийся в материале в виде тепла.

    Потери на перемагничивание магнитного материала:

    — потери на гистерезис – создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия.

    Потери на гистерезис:

    Рг=а∙f,

    где а – коэффициент, зависящий от свойств и объема материала; f — частота тока, Гц.

    — динамические потери:

    Рвт(превосходят потери на гистерезис при высоких частотах) – вызываются частично вихревыми токами, которые возникают при изменении направления и напряженности магнитного поля, которые также рассеивают энергию:

    Рвт=b∙f2,

    где b – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления, объема и геометрических размеров образца.

    Рп – потери на последействие (зависят от состава и термической обработки магнитного материала, появляются на высоких частотах), связаны с остаточным изменением магнитного состояния после изменения напряженности магнитного поля. Потери на последствие (магнитную вязкость) необходимо учитывать при использовании ферромагнетиков в импульсном режиме.

    Общие потери:

    Р = Рг+ Рвт+ Рп

     

    Тест по электроматериаловедению по теме: Полупроводники

    1. Что обозначает буква Г в маркировке сложного полупроводника АГЧЦ-2 1-19:

    а) номер марки

    б) легирующие примеси

    в) вид материала

    г) способ получения

    1. Темно-серый кристаллический материал с металлическим блеском, относится к IV группе периодической системы элементов:

    а) кремний

    б) кристаллический германий

    в) кристаллический кремний

    г) селен

    1. К какому типу полупроводниковых материалов относиться теллурид висмута (Bi2Te3):

    а) сложный полупроводник типа АIIIВV

    б) сложный полупроводник типа АIIВVI

    в) сложный полупроводник типа АIVВVI

    г) сложный полупроводник типа А2VВ3VI

    Тест по теме: «Полупроводники»

    Вариант 7

    1. Ведущее место среди материалов занимают полупроводники:

    а) кремний, селен, карбид кремния

    б) селен, германий, карбид кремния

    в) кремний, германий, селен

    г) кремний, германий, карбид кремния

    1. Собственным полупроводником называют:

    а) полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примесей при любой температуре

    б) полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием молекул при данной температуре

    в) полупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре

    г) полупроводник, в котором нельзя пренебречь влиянием примесей при данной температуре

    1. Полупроводники в зависимости от степени чистоты делят на:

    а) непримесные и примесные

    б) собственные и примесные

    в) собственные и несобственные

    г) собственные и непримесные

    1. Проводимость полупроводников при увеличении освещённости:

    а) не изменяется

    б) увеличивается

    в) уменьшается

    г) сначала увеличивается, затем увеличивается

    1. К какой группе полупроводниковых материалов относятся кремний, теллур, селен, германий?

    а) простые полупроводники

    б) сложные полупроводники

    в) оксидные полупроводники

    г) органические полупроводники

    1. Полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения:

    а) фоторезистор

    б) позистор

    в) термистор

    г) варистор

    1. Полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется при воздействии на него оптического излучения:

    а) фоторезистор

    б) транзистор

    в) конденсатор

    г) тиристор

    1. Если в четырехвалентный кремний добавить пятивалентный висмут, то такая примесь будет называться:

    а) акцепторной

    б) примесной

    в) собственной

    г) донорной

    1. Установить соответствие между названием полупроводникового прибора и его определением:

    1. Что обозначает цифра 1 в маркировке сложного полупроводника АГЧЦ-2 1-19:

    а) номер марки

    б) величина концентрации основных носителей заряда

    в) вид материала

    г) показатель степени десятичного порядка

    1. Темно-серое твердое и хрупкое вещество с металлическим блеском, химически довольно инертное, относится к IV группе периодической системы элементов:

    а) теллур

    б) кристаллический германий

    в) кристаллический кремний

    г) селен

    1. К какому типу полупроводниковых материалов относиться селенид цинка (ZnSe):

    а) сложный полупроводник типа АIIIВV

    б) сложный полупроводник типа АIIВVI

    в) сложный полупроводник типа АIVВVI

    г) сложный полупроводник типа А2VВ3VI

    Тест по теме: «Полупроводники»

    Вариант 8

    1. Для полупроводников характерна зависимость удельного электрического сопротивления от:

    а) от изменения температуры

    б) от изменения напряжения

    в) от введения примесей

    г) от всех перечисленных характеристик

    1. Основными параметрами полупроводниковых материалов являются:

    а) удельная объемная электропроводность, температурный коэффициент линейного расширения, предел упругости

    б) ширина запрещенной зоны, концентрация собственных носителей заряда, подвижность носителей заряда при нормальной температуре

    в) диэлектрическая проницаемость, удельное сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь

    г) магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, удельное сопротивление

    1. Процесс контролируемого введения в полупроводник необходимых примесей называется?

    а) легированием

    б) поляризацией

    в) адгезией

    г) аллотропией

    1. Какие из типов сложных полупроводников существуют:

    а) АV В V, А III В II, АII ВV, АV ВIII, А3V В 5VI

    б) АIV В IV, А III ВV, АII ВVI, АIV ВVI, А2V В3VI

    в) АII В IV, А II ВV, АVIII ВV, АV ВVI, А3V В 3VI

    г) АIV ВV, А III В IV, АII ВVI, АIV ВVI, А5V В 3V

    1. Название терморезистора, сопротивление которого с ростом температуры падает:

    а) позистор

    б) варистор

    в) термистор

    г) фоторезистор

    1. Полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока:

    а) туннельный

    б) стабилитрон

    в) варикап

    г) выпрямительный

    1. Какие полупроводниковые приборы применяются для получения неизменяющегося напряжения:

    а) динисторы

    б) стабилитроны

    в) варикапы

    г) тиристоры

    1. Вещества, удельная электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов и больше, чем у диэлектриков – это:

    а) полупроводники

    б) проводники

    в) диэлектрики

    г) магниты

    1. Установить соответствие между понятиями и выполняемой ими операцией:

    Б. примесь, снабжающая полупроводник

    свободными электронами

    2019

    Гранты, договоры, контракты, 2019 год

    1. Грант РФФИ 18-52-00014 Бел_а (Россия –Беларусь, Институт физики им. Б.И.Степанова НАНБ ), «Светоизлучающие структуры на основе SiGe квантовых точек, формируемых при эпитаксии из ионно-молекулярных пучков», 2018-2019гг.(Россия — член-корр.РАН В.Двуреченский, к.ф-м.н. В.А.Зиновьев; Беларусь – к.ф-м.н. А.В.Мудрый).
    2. Грант РФФИ 17-52-14007 АНФ_а (Россия –Австрия, Венский технический университет) «Терагерцовая магнитооптика дираковских фермионов в структурах на основе HgTe и CdHgTe», 2017-2019г.г.. (Россия – д.ф-м.н.Квон-Зе Дон; Австрия – Dr. Alexey Shuvaev).
    3. Соглашение РНФ 18-49-08001 RSF-MOST: Исследование и разработка многоуровневых мемристоров на основе SiOx и SiNx для нейроморфных устройств и флэш памяти терабитного масштаба. (Россия – Тайвань, National Chiao Tung University, Hsinchu, Taiwan, Национальный Чиао Тун Университет, Синьчжу, Тайвань), 2018 -2020гг.( Россия – д.ф-м.н. В.А.Володин, д.ф-м.н.В.А.Гриценко; Тайвань –Prof.Chin Albert).
    4. Грант РФФИ 18-52-41006 Узб_т (Россия – Узбекистан, Институт ионно-плазменных и лазерных технологий АН РУз) «Формирование слоев на основе Ge, Si, Sn под воздействием частично ионизированного потока кремния для солнечной энергетики», 2018-2019гг. (Россия – д.ф-м.н. А.И.Никифоров, Узбекистан – д.т.н. Х.Б.Ашуров).
    5. Грант РФФИ 18-57-80006 БРИКС_т (Россия, Китай (Университет Сучжоу), Бразилия (Федеральный университет Риу-Гранди-ду-Сул), Индия (Индийский научный институт), «Электронные синапсы на основе двумерных материалов для нейроморфных вычислений», 2018-2021гг.(Россия – д.ф-м.н.Гриценко В.А., Китай – prof. Mario Lanza, Бразилия – prof. Gilson I.Wirth, Индия – prof. Santanu Mahapatra).
    6. Грант РФФИ 18-52-00008 Бел_а (Россия, Беларусь, Институт физики им. Б.И.Степанова НАНБ) «Графеноподобные GaN/AlN наноструктуры». 2018-2019гг.(Россия — д.ф-м.н. Журавлёв К.С, Беларусь – к.ф-м.н. Н.В.Ржеуцкий.)
    7. Грант РФФИ 19-52-15010 НЦНИ_а (Россия, Франция, Университет Париж-Сюд (Париж-Юг11)) «Электрически управляемые многочастичные взаимодействия в мезоскопических ансамблях холодных ридберговских атомов для применения в квантовой информатике» 2019-2021гг (Россия – д.ф-м.н.И.И.Рябцев; Франция – full-time researcher Patrick Cheinet).
    8. Грант РФФИ 19-52-12041 ННИО_а (Россия, Германия, Университет технологии Кемница) «Гигантское комбинационное рассеяние света полупроводниковыми наноструктурами с нанометровым пространственным разрешением» 2019-2021гг. (Россия- д.ф-м.н. А.Г.Милехин; Германия – prof. Dr. Dr. h.c. Dietrich R.T.Zahn)
    9. Грант РФФИ 19-52-12001 ННИО_а (Россия, Германия, Университет Дортмунда) «Динамика экситонов и носителей заряда в непрямозонных полупроводниковых наноструктурах первого рода», 2019-2021гг. (Россия- д.ф-м.н.Т.С.Шамирзаев; Германия- prof. Dr. M.Bayer).
    10. Соглашение РНФ 19-42-02003 RSF-DST: «Сложные Cu-содержащие полупроводники и слоистые структуры для технологичных, экологичных и высоко эффективных ультратонких солнечных элементов». (Россия, Индия, Индийский институт технологии, Индаур, 2019 – 2021гг. (Россия- к.ф-м.н. В.В.Атучин; Индия — prof..Shaibal Mukherjee).
    11. Университет технологии (Кемниц, Германия) «Исследование полупроводниковых наноструктур», 03.04.2006- 01.04.2021гг. (Россия – д.ф-м.н. А.Г.Милехин; Германия – prof. Dr. Dr. h.c. Dietrich R.T.Zahn).
    12. Университет Дортмунда (Дортмунд, Германия) «Синтез и исследование новейших полупроводниковых самоорганизованных структур с квантовыми точками», 01.09.2009 – 31.12.2024гг. (Россия- д.ф-м.н.Т.С.Шамирзаев; Германия- prof. Dr. M.Bayer).
    13. Университет Регенсбурга (Регенсбург, Германия) «Исследование электрических и фотогальванических эффектов в низкоразмерных электронных системах под воздействием терагерцового излучения», 31.12.2012- 31.12.2021гг. (Россия – д.ф-м.н.Квон Зе Дон; Германия – prof. S.D.Ganichev)
    14. Университет Авейро (Авейро, Португалия) «Влияние поверхностных реконструкций на атомные процессы», 2010-2019 гг. (Р.А. Жачук).
    15. Институт физики (Сан-Пауло, Бразилия) «Исследования в области физики двумерных систем», 01.01.2008 – 31.12.2021гг. (Россия –д.ф-м.н.Квон Зе Дон; Бразилия – prof. G.V.Gusev).
    16. Институт полупроводников Академии наук Китая (Пекин, Китай) «Исследования в области электроники и фотоники» , 20.11.2015 – 20.11.2020гг. (Россия – к.ф-м.н.О.И.Семёнова; Китай – prof. Yude Yu).
    17. Филиппс Университет (Марбург, Германия) «Моделирование структурных и оптических свойств современных полупроводниковых соединений», 01.10.2012-05.05.2023гг.(Россия – к.ф-м.н. А.В.Ненашев; Германия – Prof. Dr.Sergei Baranovski).
    18. Проект 90 298 (Фонд Фольксвагена) «Оптико-электронные явления переноса в узкозонных полупроводниковых структурах для регистрации терагерцового излучения» (Университет Регенсбурга, Германия; Институт физики полупроводников им.А.В.Ржанова СО РАН, Россия; Институт физики полупроводников им.В.Е.Лашкарёва НАНУ, Украина), 01.07.2016- 31.12.2020гг.. (Россия – д.ф-м.н.Квон Зе Дон, к.ф-м.н. С.А.Дворецкий; Германия — prof. S.D.Ganichev)
    19. Nippon Telegraph and Telephone Corporation (Токио, Япония), «Физические принципы и технология новых полупроводниковых и сверхпроводящих гибридных структур», 12.07.2016- 31.12.2019гг. (Россия – д.ф-м.н. А.Г.Погосов, к.ф-м.н.А.А.Шевырин; Япония – Dr.Hiroshi Yamaguchi).
    20. Национальный институт ядерной физики — Национальная лаборатория (Гран Сассо Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Laboratori Nazionali del Gran Sasso) (Л’Акуила, Италия), «Исследование болометрических свойств слоёв КРТ на подложках кремния при температурах ниже чем 10mK» , 09.03.2017- 09.03.2020гг.(Россия – д.ф-м.н.М.В.Якушев; Италия – Dr.Stefano Pirro).
    21. Технический университет (г.Бари, Италия) «Исследования в области интегральной оптики и фотонных сенсоров», 06.10.2017-06.10.2022гг. (Россия – д.ф-м.н.А.В.Царёв; Италия – Dr. Vittorio Passaro).
    22. Университет Лотарингии (г.Нанси, Франция) «Исследования в области полупроводниковых наноструктур», 27.06.2017 — 27.06.2020 гг. (Россия – д.ф-м.н.В.А.Володин; Франция – prof. Michel Vergnat).
    23. Институт физики Академии наук ЧР (г.Прага, Чешская Республика) «Исследования в области полупроводниковых наноструктур», 15.01.2018 – 15.01.2023гг. (Россия- д.ф-м.н.В.А.Володин; Чехия – Ing. Jiri Stuchlik, CSc).
    24. Соглашение о сотрудничестве с компанией “Daresbury Laboratory CCLRC” (Вэррингтон, Великобритания) “Разработка высоэффективных фотокатодных материалов и методик характеризации фотокатодов” 01.12.2017-01.12.2020гг. (Россия – д.ф-м.н.А.С.Терехов, к.ф-м.н. Г.Э.Шайблер; Великобритания – Dr.Tim Noakes, Dr.Lee Jones).
    25. Университет Нагоя (Япония, г.Нагоя), Меморандум о договоренности о проведении исследований в области взаимных интересов, 2016-2021гг. (Россия – асад. А.В.Латышев; Япония – prof., Dr.Matsuo Seiichi).
    26. Соглашение о создании Международной лаборатории терагерцовых и средневолновых явлений в полупроводниковых наноструктурах(“Laboratory of Terahertz and Mid-Infrared collective Phenomena in Semiconductor Nanostructures”, TERAMIR), Институт физики полупроводников им.А.В.Ржанова СО РАН, Институт физики микро структур РАН(оба Россия), Институт физики высоких давлений ПАН (Польша), Университет Парижа DIDEROT (Франция) 01.01.2015-01.01.2019гг. (Россия – д.ф-м.н. С.А.Дворецкий; Франция – prof. Wojciech Knap). (в стадии продления)
    27. Меморандум «Исследование полупроводниковых соединений, полученных МВЕ и MOCVD; применение эллипсометрической технологии», Институт микролектроники Китайской академии наук и Jiagsu Leuven Instruments Co.Ltd. (Бельгия), 2016-2021 гг. (А.В. Двуреченский, С.В. Рыхлицкий).

    Чем опасен дефицит полупроводников для экономики всего мира

    Глобальный дефицит чипов, вызванный кризисом COVID-19, выявил уязвимые места в глобальной цепочке поставок полупроводников.

    Многие технологии и продукты, необходимые для повседневной жизни каждого человека, оказались под угрозой.

    В феврале 2019 года, за год до начала пандемии, SIA (Ассоциация полупроводниковой промышленности) объявила, что только в 2018 году было продано рекордное количество чипов – более 1 трлн. В более свежем отчете Wall Street Journal говорится, что полупроводники занимают четвертое место в мире по объему торговли после сырой нефти, переработанной нефти и автомобилей.

    Все это, а также заявление президента США Байдена, который назвал чипы «инфраструктурой», подтверждает следующий факт – нет никакой двусмысленности в том, что пользующиеся большим спросом полупроводниковые чипы – это новая универсальная валюта. Способность выполнять миллионы сложных операций и энергоэффективность делают полупроводники важнейшим компонентом практически всех отраслей, стимулируя развитие мировой экономики.

    Что такое полупроводниковые чипы

    Интегрированные в сложные микроэлектронные схемы, полупроводники обеспечивают выполнение таких функций, как сложные вычисления, управление операциями, обработка данных, хранение, управление вводом и выводом, распознавание, беспроводное подключение, повышение эффективности и управление питанием – и все это по приемлемой стоимости. Благодаря инновациям в полупроводниковой промышленности производятся более совершенные продукты по более низкой цене – принцип, связанный с законом Мура.

    Крошечные интегральные схемы придают статус «ультрасовременности» повседневным электронным устройствам, начиная от электроники и автомобилестроения и заканчивая фармацевтическими устройствами, спасающими жизнь, бытовой техникой, смартфонами, банкоматами, электронной коммерцией, продуктами и оборудованием для чистой энергии и так далее.

    Фактически, современный смартфон обладает гораздо большей вычислительной мощностью, чем компьютеры, использовавшиеся NASA в 1969 году для высадки человека на Луну. Более того, почти все новые технологии, такие как искусственный интеллект, облачные вычисления, квантовые вычисления, современные беспроводные сети, блокчейн-приложения, майнинг биткоинов, 5G, интернет вещей (IoT), самоуправляемые автомобили, беспилотники, робототехника, игровые и портативные устройства, работают на основе очень сложных полупроводников. Согласно последнему отчету компании Juniper Research, к концу 2021 года количество одних только устройств IoT достигнет 46 млрд. Каждое из этих устройств будет работать на полупроводниках.

    Полупроводники имеют решающее значение для высокопроизводительных вычислительных программ в электронике и обрабатывающей промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении, индустрии развлечений, телекоммуникациях, транспорте, управлении энергией, военных системах и космосе – и это лишь некоторые из них.

    Основа многих отраслей промышленности

    Начнем со здравоохранения, которое стоит на первом месте – полупроводники являются неотъемлемой частью программ, разработанных для клинической диагностики, лечения и послеоперационного восстановления. Оборудование на базе полупроводников, такое как магнитно-резонансные томографы, кардиостимуляторы, аппараты искусственной вентиляции легких и так далее, ежедневно спасает жизни. В некоторых хирургических процедурах произошла настоящая революция благодаря использованию роботизированных хирургических систем на базе чипов.

    Если говорить про лечение коронавируса, то оборудование для тестирования, кислородные мониторы и почти все системы жизнеобеспечения зависят от полупроводников. Кроме того, распределение вакцин по странам, получение сертификатов с помощью приложений, доставка жизнеобеспечивающих лекарств с помощью дронов, постоянный поток данных в больницы – все это работает на кремниевых пластинах.

    Что касается автомобильной промышленности, микрочипы с различными функциональными возможностями используются в самых разных программах – таких как навигационное управление, информационно-развлекательные системы и системы обнаружения столкновений. Современный беспилотный автомобиль может иметь более 3 тысяч микросхем, оснащенных новейшими технологиями.

    Во время пандемии организации смогли плавно перевести свою деятельность в онлайн и позволить людям работать удаленно и безопасно благодаря цифровым устройствам и технологиям, работающим на полупроводниках. Цифровая трансформация открыла новый мир, полный возможностей для полупроводниковой промышленности.

    Будущее за микрочипами

    Новые технологии, особенно IoT, искусственный интеллект, дополненная и расширенная реальность и блокчейн, становятся все более популярными во всех отраслях промышленности. Вместе с тем растет и потребность в специализированных датчиках, интегральных схемах и усовершенствованных процессорах.

    Многие «умные» города по всему миру стремятся значительно улучшить сервисы и инфраструктуру для своих жителей. Для этого им необходимо соединить практически все аспекты инфраструктуры с широким спектром устройств, которые, в свою очередь, будут связаны с отдельными людьми. Эта взаимосвязанная инфраструктура питается от полупроводников.

    Мобильная сеть 5-го поколения предназначена для подключения практически всех и вся, то есть машин, объектов и устройств; обеспечения пиковых скоростей передачи данных; достижения сверхнизкой задержки; повышения надежности; огромной емкости сети; повышения доступности и более единообразного пользовательского опыта. В основе технологии следующего поколения лежат передовые полупроводниковые чипы, которые обеспечат важные, быстрые и высокопроизводительные вычисления.

    Производство чипов – сложный процесс

    Производство чипов само по себе является сложным процессом, зависящим от нескольких стран. От проектирования до поиска основного сырья, изготовления, сборки, тестирования, упаковки, хранения и конечной доставки полупроводников процесс может включать более тысячи этапов и пересечение границ 70 стран. В настоящее время в качестве лидеров отрасли выступают такие компании, как Intel, TMSC, Samsung и некоторые другие.

    США отвечают за большинство видов деятельности, включающих различные исследования и разработки. Такие страны, как Тайвань, Китай и Южная Корея, лидируют в производстве пластин, что требует огромных капиталовложений, надежной инфраструктуры и квалифицированной рабочей силы. Тайвань также является лидером в области сборки, упаковки и тестирования полупроводников, за ним следуют Китай и Малайзия.

    Глобальный кризис полупроводниковой промышленности

    Дефицит чипов, возникший в результате кризиса COVID-19, выявил уязвимые места в глобальной цепи поставок полупроводников, и многие технологии и продукты, необходимые для повседневной жизни каждого человека, оказались под угрозой.

    Основные причины этого дефицита включают недостаточные инвестиции в мощности по производству пластин в предыдущие годы, сбои в цепочке поставок из-за пандемии COVID-19, растущий спрос на новые технологии, такие как искусственный интеллект и электромобили, а также увеличение потребности в продуктах для работы из дома.

    В дополнение ко всему этому – засуха на Тайване и растущая геополитическая неопределенность в отношении торговли с Китаем.

    Дальнейшее развитие

    Хорошей новостью является то, что несколько предприятий, таких как тайваньская TSMC, а также американские Intel и GlobalFoundries, инвестируют миллиарды долларов в модернизацию оборудования и строительство новых производственных линий, чтобы удовлетворить растущий спрос и дефицит предложения.

    Компания TSMC недавно объявила о крупнейших в истории отрасли инвестициях, выделив $100 млрд на увеличение производственных мощностей. Корпорация Intel пообещала выделить $20 млрд на строительство двух площадок в Аризоне и сообщила, что в этом году будут приняты дополнительные инвестиционные обязательства. Южнокорейская компания Samsung Electronics выделила $116 млрд на инвестиции до 2030 года для диверсификации производства чипов.

    Индия также завершает разработку планов по масштабному производству полупроводниковых чипов в рамках своей инициативы «Make in India». Страна предлагает более $1 млрд каждой полупроводниковой компании, которая создаст производственные подразделения в стране. Чипы местного производства могут быть использованы в различных продуктах – от камер видеонаблюдения до оборудования 5G. В декабре Индия предложила чипмейкерам «выразить заинтересованность» в создании производственных подразделений в стране или в приобретении таких производственных подразделений.

    Все это делается для достижения самодостаточности в производстве полупроводников, обеспечения лучшего контроля над безопасностью данных и предотвращения того, чтобы страны всего мира зависели от конкретных участников существующей цепочки поставок полупроводников.

    Очевидно, что полупроводники меняют игру в нашем современном, быстро меняющемся мире. Ясно также, что перед полупроводниковой промышленностью стоят новые задачи. Поскольку правительства по всему миру находятся в режиме управления кризисом, неудивительно, что в ближайшем будущем полупроводники получат статус «важнейшей инфраструктуры» в большинстве стран.

    В чем причина падения акций Intel

    Генеральный директор Intel Пэт Гелсингер заявил, что худший период спада продаж уже миновал, и в «бычьем» тоне оценил перспективы чипмейкера до конца года и в дальнейшем.

    Инвесторы ждут доказательств того, что компания сможет вернуть себе доминирующее положение в полупроводниковой промышленности. Ключом к успеху станет способность Гелсингера вернуть расположение некоторых крупнейших технологических компаний – облачных гигантов, таких как Amazon.com и Google – чьи закупки серверных чипов для центров обработки данных были основным двигателем прибыли и роста Intel.

    Продолжение

    Сложный и дорогой процесс производства полупроводников

    Современная электроника, от смартфона в вашем кармане до автономных функций передовых автомобилей, стала возможной благодаря полупроводникам, лежащим в основе всех современных электронных устройств, интегральных схем и специализированных компонентов. С некоторыми чипами, содержащими до миллиардов полупроводниковых устройств, расположенных на кремниевой пластине, можно было бы подумать, что эти типы вездесущих материалов должны быть легко доступны в результате их постоянного спроса

    Многие не понимают, что производство полупроводников является дорогостоящим, сложным и привязанным к длительным срокам, которые не могут быть легко масштабированы или, по крайней мере, не масштабированы быстро.Поскольку нехватка в 2021 году продлится до второй половины года, присоединяйтесь к нам, когда мы изучаем редко обсуждаемый мир производства полупроводников и его роль в преодолении нынешнего и будущего дефицита.

    Нехватка полупроводников: почему мы не можем просто «производить больше»

    Самый последний дефицит, который начался в четвертом квартале 2020 года и продлится до 2021 года, является результатом смещения спроса в автомобильной промышленности и отрасли бытовой электроники, которые зависят от полупроводников для производства своей продукции.

    В автомобилестроении эта реальность обусловлена ​​ростом электрификации транспортных средств. Не только электромобили находятся на подъеме, но и технологии преобладают во всех современных автомобильных конструкциях. От информационно-развлекательной системы до функций безопасности с помощью водителя, электростеклоподъемников и сидений — автомобили стали ближе к компьютерам, чем когда-либо.

    Это, конечно, создает широкий спрос на самые разные полупроводники. Перед лицом растущего спроса самое простое решение — «производить больше», но в случае с полупроводниками это не так просто.

    Недавно мы разговаривали с Майком Хоганом, старшим вице-президентом и генеральным директором автомобильного, промышленного и многорыночного стратегического бизнес-подразделения GlobalFoundries. Когда его спросили о проблемах с емкостью и масштабированием, он сразу указал на большие первоначальные затраты и сложность масштабирования такого сложного предприятия, как производство полупроводников.

    В частности, оборудование, используемое для создания кремниевых пластин, чрезвычайно дорого и изготавливается на заказ. Автомобильная промышленность также представляет собой уникальную проблему, поскольку требуется дополнительная мощность для широкого спектра технологических узлов.Хоган сравнивает ситуацию с выбором вкусов. «Если все покупают ваниль, вы можете просто инвестировать в ваниль».

    Проблема возникает, когда у вас есть люди, покупающие более 30 ароматов, и все они стоят 10+ миллионов, чтобы немного увеличить их емкость.

    Что касается финансирования, Майк предлагает разделить первоначальные затраты или изменить цену с другой стороны уравнения. Тем не менее, мощность не будет увеличиваться сама по себе. Фабрики чипов могут увеличивать свои мощности вспышками, но не каждый год.Партнерские отношения с клиентами или правительствами представляют собой потенциальный путь для обеспечения дополнительных мощностей, но Майк отмечает, что цепочка поставок автомобилей вообще не учитывала эту проблему за более чем 40 лет производства, поэтому потребуется время и устойчивый спрос, чтобы сбалансировать все.

    В данном случае сложность глобальной цепочки поставок автомобилей дает широкий спектр мнений о том, как двигаться вперед. С точки зрения Майка Хогана и GlobalFoundries, автомобильная промышленность будет двигаться к другим отношениям со своими литейными партнерами, которые беспрецедентны для них, но довольно распространены в электронике.

    GlobalFoundries, единственная компания-производитель полупроводников с глобальным производственным присутствием, сосредоточена на расширении текущих узлов в масштабе, а не на погоне за 3-, 5- или 7-нанометровыми конструкциями. В конечном счете, их целью является создание технологических решений, которые в большей степени ориентированы на автомобильные приложения, как на один из путей вперед.

    Несмотря на все это, факт остается фактом: от начала производства до расфасовки чипов, готовых к отгрузке, может пройти до 26 недель. Кроме того, во всем мире существует лишь ограниченное число заводов или фабрик, которые могут производить полупроводники.Более глубокое изучение того, как производятся эти желанные чипсы, позволяет лучше понять проблемы, связанные с растущим спросом и сезонами дефицита.

    От кремния к полупроводнику: обзор производства электронных компонентов

    Хотя большинство людей слышали о полупроводниках, очень немногие понимают процесс их изготовления. Как физическое вещество, которое находится где-то между проводником и изолятором, полупроводники управляют и контролируют поток тока в электронике.Они часто изготавливаются с использованием сырья, такого как кремний и германий, наряду с другими чистыми элементами.

    Производство включает добавление примесей к базовому элементу в процессе, называемом «легированием», который регулирует проводимость или индуктивность конечного результата в зависимости от типа и интенсивности добавленных примесей. Компьютерная память, интегральные схемы, диоды и транзисторы построены с использованием полупроводников.

    В процессе производства, за исключением нитрида галлия, все полупроводники изготавливаются из монокристаллических материалов по методу Чохральского, изобретенному в 1915 году.Во время этого процесса расплавленный поликристаллический полупроводниковый материал смешивается с легирующей примесью, а затем вводится затравочный кристалл, в результате чего отдельные атомы выстраиваются в линию с самим затравочным кристаллом.

    Затем кристалл вытягивается, полируется и нарезается на пластины, которые полируются до такой степени, что становятся почти полностью плоскими на атомном уровне.

    Next представляет собой процесс, известный как фотолитография, в котором используется свет для переноса геометрических узоров с фотошаблона на светочувствительный химический фоторезист на подложке.На практике этот процесс покрывает поверхность пластины маской, которая блокирует все, что не предназначено для воздействия ультрафиолетового света. После завершения открытая часть растворяется, в результате чего часть поверхности остается защищенной, а другие части остаются открытыми для травления, которое отслеживает форму проводки и других компонентов.

    Весь этот процесс устанавливает один слой схемы, и это описание представляет собой очень поверхностное описание процесса. В зависимости от сложности производственного процесса, в общем производстве одних только полупроводниковых пластин может быть до 1400 технологических операций.Транзисторы формируются на самом нижнем слое, но процесс повторяется по мере того, как формируются многочисленные слои схем для создания конечного продукта.

    После завершения изготовления полупроводники на кремниевой пластине должны пройти этапы сборки, текста и упаковки (ATP), что может занять еще шесть недель после 14-20 недель, необходимых для изготовления пластины в первое место.

    Все это также происходит в невероятно продвинутых помещениях, известных как чистые комнаты, которые существуют в центральной части фабрики.Производство обычно происходит в герметичных азотных средах, в которых используется автоматизированное оборудование для транспортировки пластин от одной машины к другой.

    Для поддержания этих миниатюрных сред, обеспечивающих оптимальный выход готовой продукции, фабрикам требуется огромное количество жидкого азота, а также для поддержания атмосферы на предприятии и в специальных герметичных боксах, известных как унифицированные контейнеры с передним открыванием или FOUP, которые используются для транспортировать вафли.

    Наметить путь вперед

    Учитывая сложность процесса производства полупроводников и наличие современного оборудования, необходимого для их производства, легко понять, почему нехватка не так проста, как просто масштабирование мощностей.Тем не менее, общие глобальные производственные мощности должны будут увеличиться в долгосрочной перспективе для удовлетворения спроса, который не может быть удовлетворен за счет увеличения использования только существующих фабрик.

    Сочетание рекордных объемов инвестиций в производство и НИОКР в сочетании с более рациональными партнерскими отношениями и новыми подходами к закупкам в конечном итоге проложит путь вперед, преодолев нынешний дефицит полупроводников.

    Простой способ самостоятельной сборки сложных полупроводников — ScienceDaily

    Наложение чрезвычайно тонких слоев материала друг на друга позволяет создавать новые материалы с захватывающими новыми свойствами.Но самые успешные процессы построения этих стеков могут быть утомительными и несовершенными и не очень подходящими для крупномасштабного производства.

    Теперь команда под руководством профессора Стэнфордского университета Хемамала Карунадаса создала гораздо более простой и быстрый способ сделать это. Они вырастили 2D-слои одного из самых востребованных материалов, известных как перовскиты, перемежающиеся тонкими слоями других материалов в виде больших кристаллов, которые собираются сами по себе.

    Сборка происходит во флаконах, где химические ингредиенты для слоев кувыркаются в воде вместе с молекулами в форме штанги, которые направляют действие.На каждом конце штанги находится шаблон для выращивания одного типа слоя. Когда слои кристаллизуются — процесс, похожий на приготовление леденцов — штанги автоматически соединяют их вместе в правильном порядке.

    «Что действительно здорово, так это то, что эти сложные слоистые материалы самопроизвольно кристаллизуются», — сказал Майкл Обри, который во время исследования был научным сотрудником в лаборатории Карунадасы.

    Исследователи говорят, что их метод закладывает основу для создания широкого спектра сложных полупроводников гораздо более продуманным способом, включая комбинации материалов, которые ранее не были известны как пары в кристаллах.Они описали работу в статье, опубликованной сегодня в Nature .

    «Мы в восторге от этой общей стратегии, которая может быть расширена до такого количества материалов», — сказал Карунадаса, исследователь из Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Министерстве энергетики. .

    «Вместо того, чтобы манипулировать материалами с каждым слоем, — сказала она, — мы просто бросаем ионы в горшок с водой и позволяем ионам собираться так, как они хотят.Мы можем сделать граммы этого материала, и мы знаем, где атомы находятся в кристаллах. Этот уровень точности позволяет мне узнать, как на самом деле выглядят границы раздела между слоями, что важно для определения электронной структуры материала — как ведут себя его электроны».

    Легко сделать, сложно сложить

    Галогенидные перовскиты — материалы, которые имеют ту же октаэдрическую структуру, что и встречающиеся в природе минералы перовскита — собирались в воде с 1900-х годов, сказал Обри.У них есть большой потенциал для эффективного поглощения солнечного света солнечными батареями и преобразования его в электричество, но они также печально известны своей нестабильностью, особенно в жарких, ярко освещенных условиях, в которых работают фотогальваники.

    Наслаивание перовскитов другими материалами может сочетать их свойства таким образом, чтобы улучшить их характеристики в конкретных приложениях. Но еще более захватывающая перспектива заключается в том, что совершенно новые и неожиданные свойства могут появиться на границах раздела, где встречаются слои; например, ученые ранее обнаружили, что наложение тонких пленок двух разных типов изоляторов может создать электрический проводник.

    Трудно предсказать, какие сочетания материалов окажутся интересными и полезными. Более того, изготовление тонкослойных материалов было медленным и кропотливым процессом. Слои обычно создаются путем отделения пленок толщиной всего в один или два атома по одному от большего куска материала. Вот как графен изготавливается из графита, чистой формы углерода, используемого в грифелях карандашей. В других случаях эти тонкослойные материалы производятся небольшими партиями при очень высоких температурах.

    «Способ их изготовления нельзя масштабировать, а иногда даже трудно воспроизвести от одной партии к другой, — сказал Карунадаса.«Отслаивание слоев толщиной всего в один или два атома — это специализированная работа; мы с вами не можем просто пойти в лабораторию и сделать это. Эти листы похожи на очень гибкую колоду карт; может смяться или деформироваться. Поэтому трудно узнать точную структуру конечной стопки. Существует очень мало прецедентов для материалов, которые выглядят как те, которые мы создали в этом исследовании».

    Синтез леденцов

    Эта работа стала результатом исследования соавтора исследования Абрахама Салдивара Вальдеса, который в то время был аспирантом в группе Карунадасы.В течение нескольких лет он разработал новый метод сборки многослойных структур, который был расширен аспиранткой Бриджит Коннор. Тем временем Обри обнаружил, что их атомарно тонкие слои имеют ту же структуру, что и 3D-блоки подобных материалов, свойства которых уже были известны, и проследил, как два разных слоя должны слегка искажаться, чтобы иметь общую границу раздела. Он также изучал оптические свойства конечных продуктов с помощью аспиранта Курта Линдквиста.

    Создание многослойных структур «это тот же самый процесс, что и изготовление леденца, когда вы бросаете деревянную палочку в насыщенный раствор сахара, и кристаллы леденца сами высаживаются на палочку», — сказал Обри. «Но в этом случае исходные материалы другие, и вам не нужен штифт — кристаллы начнут формироваться в воде или на поверхности стеклянного флакона».

    Команда изготовила шесть самособранных материалов, чередуя перовскиты с галогенидами металлов или сульфидами металлов, и исследовала их с помощью рентгеновских лучей на усовершенствованном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики.

    В большинстве структур молекулы-штанги удерживают слои немного друг от друга. Но в одном из них молекулы штанги привели слои в непосредственный контакт друг с другом, чтобы они могли образовать химические связи.

    «Мы особенно воодушевлены этим типом структуры, в которой слои соединены, потому что это может привести к возникающим свойствам, таким как электронные возбуждения, которые распределяются по обоим слоям», — сказал Карунадаса.

    «И в этом конкретном случае, когда мы ударили светом по материалу, чтобы освободить электроны и создать положительно заряженные дырки, мы обнаружили, что электроны в основном находятся в одном типе слоя, а дырки — в основном в другом.Это важно в нашей области, потому что позволяет вам настроить эти две среды, чтобы получить электронное поведение, которое вы хотите.»

    Имея в руках новую технику, Обри сказал: «Сейчас мы проводим много исследований, чтобы выяснить, какие структуры можно создавать с ее помощью».

    Марина Филип и Джеффри Нитон из Калифорнийского университета в Беркли и лаборатории Беркли выполнили расчеты электронной структуры в этой работе. Это исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.ALS является пользовательским объектом Управления науки, как и два других объекта, где проводились вычисления для этого исследования: Национальный научный вычислительный центр энергетических исследований (NERSC) и Вычислительный центр лидерства в Ок-Ридже.

    Деконструкция сложных полупроводников, слой за слоем

    Недавно наша дочерняя компания UBM TechInsights представила вебинар о том, как она раскрывает секреты полупроводников и других элементов интегральных схем, используемых в устройствах, которые мы знаем и любим.

    Для тех, кто не знаком с TechInsights, это секретная лаборатория в Канаде, где наши коллеги вскрывают все, что угодно, от автомобилей, таких как Chevy Volt, до холодильников, телевизоров, телефонов, планшетов, ноутбуков, интеллектуальных счетчиков и многого другого. Каждый расчлененный продукт тщательно анализируется инженерными группами TechInsights, которым приходится делать удивительно крутые вещи, например растворять устройства в кислоте, чтобы выяснить, из каких материалов они сделаны.

    На самом деле, полупроводниковый кристалл с задержкой часто полезен для множества приложений — обратного проектирования схем, анализа отказов, измерения характеристик транзисторов, редактирования схем и многого другого.Извлечение схемы также является хорошим способом получить ценные доказательства использования в конкурирующих продуктах, которые трудно найти с помощью других средств, так что это лучший друг патентного поверенного.

    Методы задержки TechInsights включают в себя широкий спектр параметров, включая усилия, оборудование, стоимость, риск и точность, поэтому выбор правильного процесса, инструментов и методов имеет жизненно важное значение. Кроме того, конечно, требуется хорошее знание полупроводниковой архитектуры, чтобы набросать схемы для наших читателей.

    Действительно, TechInsights CircuitVision делает еще один шаг вперед и предлагает интерактивное и простое в навигации представление схемных решений, а также физическую реализацию на ИС. Иерархические схемы демонстрируют конструкцию от блока до уровня вентилей — все они связаны с исходной компоновкой, показывая извлеченные вентили и связанные с ними межсоединения.

    Поверьте мне, это аккуратно. И это не только аккуратно, но и впервые TechInsights обнажает все на вебинаре, посвященном процессу задержки, а также инструментам и опыту, которые он использует, чтобы узнать, как был спроектирован, сформулирован и построен процессор — после он был фактически доставлен на рынок.

    Вы можете увидеть бесплатную презентацию здесь (просто заполните короткую форму перед загрузкой). Предупреждение: эта презентация имеет сильный гик-фактор!

    Похожие сообщения:

    Эта история была первоначально опубликована EE Times .

    Невероятно сложный и чрезвычайно маленький мир производства полупроводников – rAVe [PUBS]

    В 1965 году удивительно проницательный молодой химик, работавший в Fairfield Semiconductor, написал эссе для отраслевого журнала Electronics.Его эссе было довольно техническим, но оно было сведено к правилу, на которое часто ссылались на протяжении многих лет, когда люди говорили о скорости технического прогресса в компьютерах. Этим химиком был Гордон Мур, (в конечном итоге) соучредитель Intel, и «правило» известно как закон Мура. В своем эссе Мур предсказал, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме (ИС) будет удваиваться примерно каждые два года. (Первоначально это был фактически один год, но позже он изменил свое заявление.) Проще говоря, это означает, что скорость компьютера удваивается каждые два года, а стоимость уменьшается вдвое. Большая вычислительная мощность означает не только большую скорость, но и большую емкость для практически бесконечного числа приложений.

    Когда Мур говорил о плотных интегральных схемах, он имел в виду конкретно полупроводники (в просторечии также называемые «чипом»), мозг, на котором сегодня работают почти все современные технологии. Существуют различные типы микросхем, в которые интегрированы другие элементы, в том числе центральные процессоры (ЦП).Полупроводники со встроенным в них ЦП называются микропроцессорами, а микросхемы с ЦП, а также памятью, часами и блоком ввода-вывода — микроконтроллерами. Изобретение микропроцессора сделало персональные компьютеры даже возможными.

    По мере того, как микросхемы становятся меньше и сложнее, производственные процессы также усложняются. В то же время резко вырос потребительский спрос.

    Между производителями ведется жесткая конкуренция за создание чипов с меньшими и лучшими транзисторами.Первый микропроцессор, созданный Intel в 1971 году, содержал 2300 транзисторов с размером узла 10 микрон каждый. В эссе Мура рассматривается один чип с 65 000 транзисторов. Сегодняшние чипы размером не больше вашего ногтя содержат миллиардов . Последние чипы теперь имеют транзисторы шириной менее 10 нанометров, а последнее достижение — менее 5 нанометров (точнее, это ширина логического элемента в транзисторе). Это настолько мало, что человеческий разум не может этого постичь.Ноготь человека растет со скоростью 1 нанометр в секунду. Либо лист бумаги, либо прядь человеческого волоса имеют толщину 100 000 нанометров. Размер частицы вируса COVID-19 (не технический термин) составляет примерно 100 нанометров.

    Производственная технология, используемая для изготовления чипов с таким количеством транзисторов, называется фотолитографией. Литография на самом деле существует уже тысячи лет. Это процесс печати, при котором рисунок вытравливается на чем-либо с помощью химического процесса, который оставляет чернила или пятна только в тех местах, где этого хочет дизайнер.Это похоже на трафарет, за исключением того, что вместо физического барьера, блокирующего чернила, есть химический барьер, который отталкивает чернила.

    Фотолитография — аналогичный процесс, только вместо чернил используется свет. В фотолитографии свет используется для вытравливания сложных узоров на тонких слоях подложки (кремниевых пластин). Свет фокусируется на маске, которая по сути является трафаретом окончательного рисунка, затем через ряд оптических линз изображение уменьшается. Многие слои кремния с разной конструкцией тщательно выстраиваются в трехмерный узор, создавая интегральную схему, включающую миллиарды транзисторов.

    При создании чипа источник света определяет сложность узоров на пластинах; Ключом к получению большего количества транзисторов на микросхемах меньшего размера является длина волны света. Чем короче длина волны, тем больше транзисторов. Разработка более совершенных источников света для фотолитографии, пригодных для массового производства, является одним из ключевых нововведений, необходимых для соблюдения закона Мура.

    Еще несколько лет назад самая сложная фотолитография использовала глубокое ультрафиолетовое излучение (DUV) с длиной волны 193 нанометра.Проблема с этим процессом заключается в том, что когда световые волны проходят через оптические линзы, сделанные из стекла, линзы фактически поглощают свет, поэтому к тому времени, когда вы достаточно сфокусируете свет, чтобы получить размер 100 нм и меньше, не осталось света, чтобы фактически вытравить рисунок на кремниевой пластине.

    Возможны несколько методов литографии следующего поколения, и многие из них разрабатывались с конца 80-х или начала 90-х годов. Большинство из них было заброшено после многих лет исследований и миллиардов инвестиций, и остался только один вариант: литография в экстремальном ультрафиолете (EUVL).Единственной компанией, застрявшей в разработке EUVL, была ASML, голландская компания, отделившаяся от Philips в 1984 году.

    EUVL работает аналогично глубокому ультрафиолету, за исключением того, что вместо линз используются зеркала для создания отражающей маски. Он также имеет гораздо более короткую длину волны 13,5 нм, что значительно короче, чем у предыдущих методов. EUVL пришлось преодолеть множество препятствий, не последним из которых был поиск источника света, достаточно мощного для работы процесса (производители микросхем хотели мощность 250 Вт).Литография тоже должна происходить в вакууме; длина световой волны настолько короткая, что даже воздух поглощает их. Зеркала также должны быть идеально плоскими, без дефектов, иначе можно повредить оптику, изменив окончательный рисунок.

    ASML продемонстрировала рабочий прототип своей машины EUVL в 2001 году, но только в 2018 году ASML, наконец, поставила первую машину для реального коммерческого производства. Он достался Самсунгу. В настоящее время для производства полупроводников нового поколения используется более 100 машин EUVL.Одна из машин ASML стоит более 150 миллионов долларов, и она огромна: при транспортировке она занимает 40 грузовых контейнеров. Есть лист ожидания.

    За последние 20 лет или около того появилось много статей и речей, провозглашающих смерть закона Мура. Закон Мура противоречит законам физики. Даже сам Гордон Мур скептически относится к тому, сколько еще это может продолжаться. Менее известный аналог закона Мура, закон Рока, гласит, что стоимость строительства завода по производству полупроводниковых микросхем удваивается каждые четыре года.Если физика не убьет закон Мура, то, возможно, это сделает экономическая жизнеспособность.

    Но на данный момент ASML уже работает над фотолитографическим оборудованием, которое появится после EUVL, под названием «High-NA EUV». NA обозначает числовую апертуру. Эта машина позволит использовать 3-нм чипы. Первый из них не ожидается по крайней мере до 2025 года (и будет стоить не менее 300 миллионов долларов), но это многообещающая технология.

    Другие методы фактически превзошли первоначальные ожидания миниатюризации чипов DUV, поэтому он будет использоваться в обозримом будущем.Помимо новых методов фотолитографии, компании изучают и другие способы увеличения количества транзисторов в микросхемах. IBM работает над новой конструкцией интегральной схемы под названием нанолист, которая, по словам компании, может разместить 50 миллиардов транзисторов на 300-миллиметровом кристалле.

    Так что тем временем, особенно для тех из нас, кто занимается технологиями, мы можем только надеяться, что слухи о смерти закона Мура просто сильно преувеличены.

    Самосборка сложных полупроводников

    Наложение очень тонких слоев материала друг на друга позволяет создавать новые материалы с новыми захватывающими свойствами.Но самые успешные процессы построения этих стеков могут быть утомительными и несовершенными и не очень подходящими для крупномасштабного производства.

    Команда под руководством профессора Стэнфордского университета Хемамала Карунадаса создала гораздо более простой и быстрый способ сделать это. Они вырастили 2D-слои одного из самых востребованных материалов, известных как перовскиты, перемежающиеся тонкими слоями других материалов в виде больших кристаллов, которые собираются сами по себе.

    Сборка происходит во флаконах, где химические ингредиенты для слоев кувыркаются в воде вместе с молекулами в форме штанги, которые направляют действие.На каждом конце штанги находится шаблон для выращивания одного типа слоя. Когда слои кристаллизуются — процесс, похожий на приготовление леденцов — штанги автоматически соединяют их вместе в правильном порядке.


    На приведенной выше диаграмме показано, как слои двух 2D-материалов — перовскита (синий) и галогенида металла (желтый) — собираются из химических веществ, кувыркающихся в воде (слева).

    «Что действительно здорово, так это то, что эти сложные слоистые материалы самопроизвольно кристаллизуются», — сказал Майкл Обри, который во время исследования был научным сотрудником в лаборатории Карунадасы.

    Исследователи говорят, что их метод закладывает основу для создания широкого спектра сложных полупроводников гораздо более продуманным способом, включая комбинации материалов, которые ранее не были известны как пары в кристаллах. Они описали работу в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature.

    «Мы в восторге от этой общей стратегии, которая может быть расширена до такого количества материалов», — сказал Карунадаса, исследователь из Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) в Национальной лаборатории SLAC Министерства энергетики. Ускорительная лаборатория.

    «Вместо того, чтобы манипулировать материалами по одному слою за раз, — сказала она, — мы просто бросаем ионы в горшок с водой и позволяем ионам собираться так, как они хотят. Мы можем сделать граммы этого материала, и мы знаем, где атомы находятся в кристаллах. Такой уровень точности позволяет мне узнать, как на самом деле выглядят границы раздела между слоями, что важно для определения электронной структуры материала и поведения его электронов». По словам Обри, материалы, которые имеют ту же октаэдрическую структуру, что и природные минералы перовскита, собираются в воде с 1900-х годов.У них есть большой потенциал для эффективного поглощения солнечного света солнечными батареями и преобразования его в электричество, но они также известны своей нестабильностью, особенно в жаркой, ярко освещенной среде, в которой работают фотогальваники.

    Наслоение перовскитов на другие материалы может объединить свойств таким образом, чтобы улучшить их производительность в конкретных приложениях. Но еще более захватывающая перспектива заключается в том, что совершенно новые и неожиданные свойства могут появиться на границах раздела, где встречаются слои; например, ученые ранее обнаружили, что наложение тонких пленок двух разных типов изоляторов может создать электрический проводник.

    Трудно предсказать, какие сочетания материалов окажутся интересными и полезными. Более того, изготовление тонкослойных материалов было медленным и кропотливым процессом. Слои обычно создаются путем отделения пленок толщиной всего в один или два атома по одному от большего куска материала. Вот как графен изготавливается из графита, чистой формы углерода, используемого в грифелях карандашей. В других случаях эти тонкослойные материалы производятся небольшими партиями при очень высоких температурах.

    «Способ их изготовления нельзя масштабировать, а иногда даже трудно воспроизвести из одной партии в другую, — сказал Карунадаса. «Снятие слоев толщиной всего в один или два атома — это специализированная работа; это не то, что вы и я можем просто пойти в лабораторию и сделать. Эти листы похожи на очень гибкую колоду карт; когда вы вынимаете один, он может скомкаться или согнуться. Поэтому трудно узнать точную структуру финального стека. Существует очень мало прецедентов для материалов, похожих на те, которые мы создали в этом исследовании.

    Синтез леденцов

    Эта работа выросла из исследований соавтора исследования Авраама Салдивара Вальдеса, который в то время был аспирантом в группе Карунадасы. В течение нескольких лет он разработал новый метод сборки многослойных структур, который был расширен аспиранткой Бриджит Коннор. Тем временем Обри обнаружил, что их атомарно тонкие слои имеют ту же структуру, что и 3D-блоки подобных материалов, свойства которых уже были известны, и проследил, как два разных слоя должны слегка искажаться, чтобы иметь общую границу раздела.Он также изучал оптические свойства конечных продуктов с помощью аспиранта Курта Линдквиста.

    Создание многослойных структур «это тот же самый процесс, что и изготовление леденца, когда вы бросаете деревянную палочку в насыщенный раствор сахара, и кристаллы леденцов сами высаживаются на палочку», — сказал Обри. «Но в этом случае исходные материалы другие, и вам не нужен штифт — кристаллы начнут образовываться в воде или на поверхности стеклянного флакона».

    Команда изготовила шесть самособранных материалов, чередуя перовскиты с галогенидами металлов или сульфидами металлов, и исследовала их с помощью рентгеновских лучей на усовершенствованном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики.

    В большинстве структур молекулы штанги немного раздвигали слои. Но в одном из них молекулы штанги привели слои в непосредственный контакт друг с другом, чтобы они могли образовать химические связи.

    «Мы особенно рады этому типу структуры, в которой слои соединены, потому что это может привести к возникающим свойствам, таким как электронные возбуждения, которые распределяются по обоим слоям», — сказал Карунадаса.

    «И в этом конкретном случае, когда мы облучали материал светом, освобождая электроны и создавая положительно заряженные дырки, мы обнаруживали электроны в основном в одном типе слоя, а дырки в основном в другом.Это важно в нашей области, потому что позволяет вам настроить эти две среды, чтобы получить желаемое поведение электроники».

    Имея в руках новую технику, Обри сказал: «Сейчас мы проводим много исследований, чтобы выяснить, какие структуры можно создавать с ее помощью».

    Марина Филип и Джеффри Нитон из Калифорнийского университета в Беркли и лаборатории Беркли выполнили расчеты электронной структуры в этой работе. Это исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.ALS является пользовательским объектом Управления науки, как и два других объекта, где проводились вычисления для этого исследования: Национальный научный вычислительный центр энергетических исследований (NERSC) и Вычислительный центр лидерства в Ок-Ридже.

    Ref Michael Aubrey et al., Nature, 15 сентября 2021 г. (10.1038/s41586-021-03810-x)

    Улучшение PPA в сложных проектах с помощью ИИ

    Целью разработки чипа всегда была оптимизация энергопотребления, производительности и занимаемой площади (PPA), но результаты могут сильно различаться даже при использовании лучших инструментов и высококвалифицированных инженерных групп.

    Оптимизация PPA требует все большего количества компромиссов, которые могут варьироваться в зависимости от приложения, доступности IP и других компонентов, а также знакомства инженеров с различными инструментами и методологиями. Например, более высокая производительность может быть достигнута с помощью более крупного процессора, но это также может быть достигнуто с использованием более мелких, более специализированных процессорных элементов с более тесной интеграцией аппаратного и программного обеспечения. Таким образом, даже в одной и той же области и с одним и тем же бюджетом мощности существуют разные способы достижения одной и той же цели, и оптимальное сочетание может варьироваться в зависимости от конкретной области или потребностей поставщика.

    Это еще более усложняется растущим спросом на безопасность. В зависимости от важности проекта безопасность может быть активной или пассивной, что влияет на мощность и производительность. И это может повлиять на затраты на производство ИС, время выхода на рынок, время выполнения заказов и конкурентоспособность поставщиков.

    Чтобы разобраться во всех этих возможных перестановках, поставщики EDA все чаще обращаются к AI/ML, интегрируя различные функции AI в потоки инструментов. Результаты пока обнадеживают, как сообщают исследователи из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине в недавней статье.Исследователи пришли к выводу, что инструменты глубокого обучения с подкреплением (алгоритмы глубокого RL) могут превзойти людей в выполнении определенных задач.

    Во время шестичасового эксперимента исследователи сопоставили подход сверточной нейронной сети графа, использующий обучение с подкреплением, с другими методами, включая традиционные методы оптимизации черного ящика (байесовская оптимизация, эволюционные алгоритмы), случайный поиск и опыт дизайнера-человека с пятилетним стажем работы. ‘ опыт. Эксперимент пришел к выводу, что RL с трансферным обучением может достичь лучших результатов.Другими словами, инструменты на основе искусственного интеллекта могут сделать определение размера транзисторов и портирование дизайна более эффективным и действенным. (Таблица IV).

    Сегодня многие компании, в том числе Google, Nvidia, Synopsys, Cadence, Samsung и Siemens, либо начали использовать, либо планируют использовать ИИ при разработке микросхем.

    Как ИИ изменит ландшафт дизайна чипов?
    До недавнего времени микросхемы разрабатывались людьми с использованием различных инструментов автоматизированного проектирования при проектировании схем и логики, маршрутизации, компоновке, моделировании и проверке, чтобы свести к минимуму ошибки при одновременном сокращении времени и затрат.Процесс может быть довольно утомительным и трудоемким.


    Рис. 1: Различные этапы проектирования полупроводников. Источник: eInfochips .

    Разработка чипа состоит из многих этапов. Процесс начинается со спецификации микросхемы или определения архитектуры, после чего следуют различные этапы проектирования. После утверждения командой дизайнеров файл системы графического дизайна (GDS II) отправляется на литейный завод.

    Этот процесс был отлажен, когда в качестве основного руководства использовался закон Мура.Но по мере того, как в эпоху finFET преимущества масштабирования начали уменьшаться, производители микросхем начали искать новые способы улучшения PPA. Это значительно увеличило сложность конструкции, затруднив поставку работающего кремния в срок и в рамках бюджета.

    «Средняя стоимость разработки 28-нанометрового чипа составляет 40 миллионов долларов США, — сказал Хендел Джонс, генеральный директор International Business Strategy (IBS). «Для сравнения, стоимость разработки 7-нм чипа составляет 217 миллионов долларов США, а стоимость разработки 5-нм устройства — 416 миллионов долларов США.3-нм дизайн будет стоить до 590 миллионов долларов США».

    Более того, несмотря на то, что количество транзисторов в каждом новом узле увеличилось с тысяч до миллиардов, эти конструкции становятся все более разнородными и часто включают в себя некую усовершенствованную компоновку. Теперь вместо того, чтобы просто втиснуть больше транзисторов в одно и то же пространство, необходимо решить проблемы, связанные с плотностью мощности, рассеиванием тепла, различными типами механических и электрических нагрузок, эффектами близости и контекстуальными факторами, которые могут повлиять на общее поведение микросхемы.Все это увеличивает время проектирования, что, в свою очередь, увеличивает стоимость. И что еще хуже, постоянное давление на производителей чипов с целью внедрения усовершенствованных узлов за меньшее время может привести к дорогостоящим ошибкам.

    Повышение эффективности с помощью искусственного интеллекта
    Добавление искусственного интеллекта в конструкцию микросхемы может помочь справиться со сложностью, уменьшить количество ошибок и сократить цикл разработки. Например, использование традиционных инструментов для трассировки при проектировании микросхемы может автоматизировать 90% работы. Чтобы закончить последние 10%, по-прежнему нужен опытный дизайнер, и в конце может быть больше внимания уделено выпуску функционирующего чипа, чем оптимизации PPA.ИИ может сократить количество времени, затрачиваемого на эти последние 10%.

    «Все дело в эффективности, — сказал Стивен Ву, научный сотрудник и выдающийся изобретатель Rambus. «По сути, дизайнеры-люди используют инструменты для оптимизации. Но ИИ может сделать это быстрее за меньшее количество циклов. Движку ИИ можно передать предустановленные правила для достижения лучшего вывода. Применяя правило обучения с подкреплением, инструменты проектирования на основе ИИ будут становиться все лучше и лучше. Это поможет разработчикам находить практически безошибочные решения с течением времени, с эффективностью оптимизации PPA лучше, чем люди могут достичь в одиночку.Кроме того, поскольку здесь важна скорость, важно также учитывать скорость памяти между чипами, поскольку ИИ необходимо быстро получить доступ к большой базе данных».

    Другие согласны. «ИИ еще больше автоматизирует проектирование микросхем, особенно в процессе компоновки. Было продемонстрировано, что производительность уже повышена с помощью машинного обучения при проектировании аналоговых схем. При компоновке будет использоваться машинное обучение, чтобы предложить оптимальное размещение устройств в узлах finFET для минимизации паразитных межсоединений.Когда в конструкции чипа используются МЭМС, такие как акселерометр и гироскоп. ИИ можно использовать в процессе параметрического проектирования для совместной разработки микросхемы и устройства MEMS. Это позволит разработчикам интегрировать МЭМС, ИС и программное обеспечение намного быстрее, чем при использовании традиционных процессов проектирования, что значительно облегчит жизнь разработчикам», — прокомментировал Джон Стабеноу, директор по разработке продуктов группы проектирования ИС в Siemens Digital Industries Software.

    Как ИИ учится
    Машины ИИ могут гораздо лучше людей справляться с распознаванием и сопоставлением образов за очень короткий промежуток времени.ИИ не начинает учиться с нуля. В большинстве случаев агент ИИ (процессор) предварительно обучается или получает большой объем данных, например, 15 000 образцов планировки помещения. К этому моменту алгоритмы ИИ уже включают некоторый интеллект.

    Кроме того, ИИ будет использовать обучение с подкреплением (RL) для оптимизации результатов. RL — это метод машинного обучения, помогающий агенту учиться в своей интерактивной среде методом проб и ошибок на основе собственного опыта. В этом процессе используется модель вознаграждения и наказания.Модель ИИ запустится с начального состояния (ввод) и выдаст определенные результаты (выход).

    Затем дизайнеры награждают или наказывают модель. Модель будет продолжать учиться и давать наилучшие результаты на основе максимальных полученных вознаграждений. Когда инженер принимает предложение от модели ИИ, модель ИИ будет рассматривать это как вознаграждение. И наоборот, когда предложение ИИ отклоняется или отвергается инженером, потому что он считает, что доступно лучшее решение, модель ИИ будет рассматривать это как наказание.Процесс обучения РЛ продолжается. Со временем модель ИИ становится все лучше и лучше.

    «Машинное обучение — это подмножество ИИ, которое относится к способности машины думать без внешнего программирования», — сказал Рави Субраманиан, старший вице-президент и генеральный менеджер Siemens Digital Industries Software. «Традиционные устройства запрограммированы с набором правил того, как действовать, и затем это принимает форму утверждений «если-то-иначе». Но машинное обучение позволяет устройствам постоянно думать о том, как действовать, основываясь на данных, которые они получают.

    Субраманиан сказал, что для обучения ИИ необходимы три вещи:

    • Пул данных, который является озером данных. Он может принимать форму RTL IP, GDSII, кода C или списка соединений SPICE.
    • Модель, позволяющая системе на основе ИИ адаптироваться, учиться, импровизировать и обобщать себя, чтобы она могла прогнозировать на основе новых входных данных, а не из озера данных.
    • Должна существовать функция принятия решения, основанная на некоторой метрике, и механизм вознаграждения, основанный на достижении метрики, должен быть надежным.

    «ИИ сам по себе не принимает решений», — пояснил он. «Искусственный интеллект — это способность системы адаптироваться и импровизировать в новой среде, обобщать свои знания и применять их к незнакомым сценариям. Это определение взято у Франсуа Шолле, руководителя отдела исследований искусственного интеллекта в Google».

    Показатели ИИ
    В отличие от автомобиля, где есть стандартные способы измерения миль на галлон или расстояния на одной зарядке, не существует стандартного метода измерения результатов использования ИИ.Каждый дизайн уникален, и используемые инструменты различаются. Однако отрасль по всем направлениям сообщает об улучшении производительности с помощью инструментов проектирования микросхем на основе ИИ.

    Компания Google, например, применила ИИ для планирования этажей и обнаружила, что менее чем за шесть часов они могут достичь того, на что ранее у инженеров уходило несколько месяцев. Оба дали результаты изготовления чипов с оптимизацией PPA, но производительность была значительно выше с ИИ.

    «Добавление искусственного интеллекта в процесс проектирования микросхем определенно повысит его эффективность», — сказал Род Меткалф, директор группы управления продуктами Cadence Digital & Signoff Group.«Например, 5-нм мобильный процессор с использованием ИИ может повысить производительность на 14%, уменьшить мощность утечки на 7% и плотность на 5%. Это может иметь большое значение».

    Улучшения такого рода повторяются и в других приложениях. «Используя технологию проектирования на основе искусственного интеллекта, наши клиенты указали, что им удалось добиться значительного снижения энергопотребления — на 25% и более по сравнению с ручной настройкой», — сказал Стелиос Диамантидис, старший директор по решениям искусственного интеллекта в Synopsys. «Такого рода улучшения по сравнению с уже оптимизированными проектами поразительны.

    Будущее ИИ в разработке микросхем
    Втиснуть 1 миллиард транзисторов в кристалл для большинства людей немыслимо. Но в июне 2021 года Synopsys сообщила, что ее самый большой чип, построенный на сегодняшний день, имеет 1,2 триллиона транзисторов и 400 000 оптимизированных для ИИ ядер на площади 46 225 мм2. Спроектировать чипы такого размера практически невозможно для дизайнеров-людей с помощью традиционных инструментов проектирования.

    «Преимущества использования ИИ для ускорения и оптимизации проектирования микросхем теперь очевидны, по крайней мере, для основных поставщиков микросхем», — сказал Карл Фройнд, основатель и главный аналитик Cambrian AI Research.«Такие системы, как Synopsys DSO.AI, экономят время и деньги компаний и производят чипы с меньшим энергопотреблением, более высокой производительностью и меньшей площадью. Теперь отрасль обращает внимание на следующие шаги, помимо оптимизации физических конструкций, такие как оптимизация на уровне системы, оптимизация программного обеспечения/алгоритмов и даже проверка конструкции. Вся отрасль выиграет от этих инноваций, как и потребители более быстрого, менее энергоемкого и дешевого кремния».

    Все крупные компании EDA внедряют возможности ИИ в свои инструменты.Но вместо того, чтобы просто втиснуть больше в меньшее пространство, они также могут втиснуть гораздо больше в гораздо большее пространство.


    Рис. 2: Чип Cerebras размером с пластину. Источник: Cerebras Systems Чип

    Cerebras Systems второго поколения, разработанный с использованием 7-нанометрового техпроцесса, содержит 2,6 трлн транзисторов и 850 000 ядер, оптимизированных для искусственного интеллекта. Сейчас это самый большой в мире чип для приложений ИИ. Он размером с обеденную тарелку. Для сравнения, самый большой GPU имеет всего 54 миллиарда транзисторов.Чипу Cerebras требуется 40 ГБ встроенной памяти для поддержки вычислений ИИ. Для разработки такого чипа требуются инструменты проектирования чипов на основе ИИ.

    Кроме того, в ближайшие месяцы и годы наряду с проблемами PPA потребуется интегрированная защита чипа, и ИИ также может помочь с этим.

    Компания Siemens Subramanian указала на четыре области, в которых ИИ уже используется. «Они могут использовать ИИ как альтернативу традиционному методу решения конкретной проблемы. Они могут использовать ИИ для создания новой методологии проектирования или проверки своей ИС.Они могут использовать инструмент на базе искусственного интеллекта, чтобы уменьшить количество ошибок или сократить время до достижения наилучших результатов. Или они могут создавать чип ИИ, и в этом случае разработчик создает новую вычислительную архитектуру для решения проблемы, и эта архитектура основана на использовании принципов ИИ или машинного обучения».

    Заключение
    ИИ лучше всего работает при проектировании, когда проблема четко определена таким образом, чтобы ИИ мог ее понять. Таким образом, разработчик ИС должен сначала увидеть, есть ли проблема, которая может быть связана со способностью системы адаптироваться, учиться и обобщать знания/правила, а затем применять эти знания/правила к незнакомому сценарию.

    «Понимание того, существует ли проблема, которая хорошо подходит для ИИ, — это первый и самый важный шаг, — сказал Субраманиан. «Это, пожалуй, самый важный этап всего процесса».

    На данный момент было показано, что существует множество областей, в которых ИИ действительно применяется, и, несомненно, в будущем их будет больше. ИИ здесь, чтобы остаться. Теперь вопрос, что еще он может сделать?


    Делать полупроводники сложно — The Washington Post

    Заполнитель во время загрузки статьи

    МАЛЬТА, Н.Y. — Кристофер Белфи обслуживал столики на курорте у озера недалеко от этого городка в северной части штата Нью-Йорк десять лет назад, когда он получил долгожданный перерыв в карьере — приглашение работать на заводе полупроводников.

    Белфи, недавно окончивший Государственный университет Нью-Йорка в Олбани со степенью в области технологии, начал болтать с двумя клиентами, которые оказались менеджерами соседнего полупроводникового завода. «Раньше я тренировал команды роботов в колледже. И поэтому мы как раз говорили об этом.Они оставили свои визитки в моей чековой книжке, я подала заявку и больше не возвращалась», — говорит Белфи.

    Он начинал как техник, ремонтируя автоматизированное оборудование, которое переносит кремниевые пластины от машины к машине. Со временем он поднялся, чтобы наблюдать за автоматизированной системой, которая перемещает тысячи капсул по рельсам на потолке, каждая из которых несет 25 блестящих дисков, которые когда-нибудь будут питать мобильный телефон, самолет или автомобильную подушку безопасности.

    В последнее время на этих дорожках появилось больше контейнеров, чем когда-либо, поскольку завод GlobalFoundries — один из немногих подобных заводов в Соединенных Штатах — стремится удовлетворить растущий спрос на компьютерные чипы.

    Крошечные компоненты являются мозгом постоянно растущего множества электронных устройств, от зубных щеток и холодильников до пылесосов и автомобилей. Прогнозируется, что глобальные продажи чипов вырастут на 20 процентов в этом году и на 9 процентов в следующем, поскольку в смартфонах и ноутбуках используется больше компонентов. Даже самые обыденные продукты — шины, дверные звонки и лампочки — теперь требуют чипов, чтобы заставить их работать.

    Тем не менее, огромные расходы на строительство завода по производству полупроводников — и многомесячный процесс производства чипа — означают, что мировой спрос намного превышает предложение.Это вынудило автопроизводителей и других пользователей чипов приостановить производство и побудило законодателей одобрить федеральные субсидии, чтобы попытаться увеличить производство чипов в США.

    Страны щедро субсидируют и льготируют производителей полупроводников, поскольку глобальная война за микросхемы разгорается

    Существуют сотни компаний, разрабатывающих компьютерные микросхемы, но менее двух дюжин во всем мире производят их в больших количествах, оставляя эти фабрики под огромным давлением.

    Многие из крупнейших предприятий находятся на Тайване, который в настоящее время производит 20 процентов мировых полупроводников и более 90 процентов высокотехнологичных микросхем, согласно отчету, подготовленному по заказу Ассоциации полупроводниковой промышленности, которая называет себя «голосом полупроводниковой индустрии». промышленность.

    Азия в целом производит около трех четвертей мировых полупроводников, в то время как Соединенные Штаты производят около 13 процентов. Чтобы увеличить производство в США, Сенат в прошлом месяце санкционировал субсидии в размере 52 миллиардов долларов на новые заводы и исследования в области чипов. Мера, поддержанная президентом Байденом, еще должна быть одобрена Палатой представителей, где она еще не добавлена ​​в ожидающий рассмотрения закон.

    GlobalFoundries, которая полностью принадлежит правительству Абу-Даби и имеет штаб-квартиру на Мальте, в 30 минутах езды к северу от Олбани, является одним из основных источников U.С. производство. Завод на Мальте работает 24 часа в сутки, выпуская 500 000 сложных кремниевых пластин в год, которые затем разрезаются на отдельные чипы.

    Сотни сотрудников в начале каждой смены надевают сложное защитное снаряжение, известное как костюмы кроликов, чтобы ворсинки или волосы не портили вафли. Даже пылинка может испортить кропотливый процесс изготовления чипов.

    Недавним утром перед экскурсией для The Washington Post Белфи принарядилась: два слоя ботинок, две пары перчаток, сетка для волос, капюшон и комбинезон.Защитные очки и маски для лица также входят в стандартную комплектацию, поэтому адаптация к протоколам Covid-19 «на самом деле ничем не отличалась», — сказал Белфи.

    Он управляет 95 людьми и научился узнавать их по костюмам. «Вы узнаете людей по их шагу», — сказал он.

    Завод наполнен статическим гулом машин стоимостью 10 миллиардов долларов и теплым свечением желтого света, защищающего светочувствительные пластины от повреждений.

    12-дюймовые силиконовые диски выглядят как блестящие, гладкие зеркала, когда они поступают на завод.Три месяца спустя они покрыты замысловатыми гравировками, образующими миллиарды транзисторов, микроскопических переключателей, управляющих электрическими токами и позволяющих чипу выполнять задачи.

    На этом пути около 700 этапов обработки, в ходе которых печатаются и вытравляются друг над другом десятки слоев шаблонов в соответствии с дизайном, предоставленным каждым клиентом чипа.

    «Подумайте о том, чтобы испечь торт», — сказала Белфи, перекрывая шум машин. «В этом случае это будет торт из 60–75 слоев, и этот торт готовится примерно за два с половиной, три месяца.

    Для создания каждого слоя пластина покрывается светочувствительным химическим веществом. Затем высокотехнологичный принтер, известный как литографическая машина , снова и снова проецирует один и тот же крошечный узор на пластину, как если бы он штамповал один и тот же узор на каждом квадрате шахматной доски, где каждый квадрат представляет собой будущий чип.

    После этого гравировальный станок гравирует эти узоры на пластине, а на поверхность наносится и запекается дополнительное количество химикатов. Этот процесс повторяется снова и снова, поскольку различные шаблоны накладываются друг на друга, создавая десятки слоев транзисторов.Затем слои соединяются друг с другом медными проводами, чтобы сигналы и мощность проходили по всему чипу.

    Контейнеры с пластинами редко отдыхают в течение этого трехмесячного процесса, перемещаясь от машины к машине по заранее запрограммированному маршруту.

    Белфи и другие инженеры следят за тем, чтобы машины не ломались, и эта задача становится все более актуальной по мере роста спроса. Оборудование на типичном заводе по производству чипов, известном как фабрика, работает около 90 процентов времени, при этом 10 процентов времени простоя приходится на плановое или срочное техническое обслуживание.

    Самым важным и дорогим оборудованием на фабрике являются литографические машины, которые печатают сложные узоры на пластинах. На заводе на Мальте их 20; каждый стоит примерно 100 миллионов долларов.

    «Когда эта машина ломается, очень важно, чтобы вы починили ее как можно быстрее», — говорит Питер Беньон, генеральный директор фабрики, ранее руководивший заводом GlobalFoundries в Сингапуре.

    Прошлым летом, когда спрос на микросхемы резко возрос, одна из литографических машин на мальтийском заводе вышла из строя.Обычно производитель оборудования, голландская компания ASML, направлял инженера, чтобы помочь с ремонтом, но из-за кризиса с коронавирусом это было невозможно. По словам Беньона, вместо этого заводской техник, одетый в гарнитуру дополненной реальности, связался с инженерами ASML в Нидерландах, чтобы они могли осматривать машину изнутри и наблюдать за ремонтом.

    Байден не сможет исправить нехватку чипов в ближайшее время. Вот почему.

    Быстрое возобновление работы оборудования может помочь фабрике выжать больше стружки.По словам Беньона, так же можно сократить количество неисправных чипов на пластину.

    Но резкое увеличение производства означает строительство новых заводов. По данным отраслевой ассоциации SEMI, к следующему году производители чипов начнут строительство 29 новых заводов по всему миру.

    Китай и Тайвань построят более половины из них — по восемь в каждом, а затем шесть в США, три в Европе и на Ближнем Востоке и по два в Японии и Корее.

    В начале 1990-х годов Соединенные Штаты производили более трети мировых чипов, но производство переместилось в Азию, поскольку производители чипов искали более дешевую рабочую силу, а Тайвань, Южная Корея и Китай начали активно субсидировать производство чипов.

    По словам Гленна О’Доннелла, технического аналитика исследовательской фирмы Forrester, инвесторы также оказывали давление на американские производители микросхем, чтобы они сосредоточились на разработке полупроводников и передали производство в Азию из-за огромных затрат, необходимых для содержания заводов по производству микросхем.

    «Это побочный продукт краткосрочного менталитета Уолл-стрит, на который все должны соглашаться, потому что вы должны удовлетворить Уолл-стрит», — сказал он.

    Обеспокоенные тем, что маятник качнулся слишком далеко, официальные лица и законодатели США теперь стремятся восстановить внутреннее производство чипов с помощью федеральных субсидий.Они утверждают, что по мере того, как чипы становятся все более важными для систем вооружений и экономики в целом, чрезмерная зависимость от Азии подрывает национальную безопасность.

    «Наличие в Америке надежных поставок полупроводников важно для нашей национальной обороны и нашей экономической безопасности», — сказал тогдашний лидер меньшинства в Сенате Чарльз Э. Шумер (штат Нью-Йорк) во время визита на завод в Нью-Йорке в прошлом году. поскольку он продвигал законопроект о федеральном финансировании.

    GlobalFoundries планирует увеличить объем производства фабрики на Мальте как минимум на четверть, если она получит часть федеральной субсидии, одобренной Сенатом, заявил в февральском интервью генеральный директор Том Колфилд. Некоторые из клиентов компании также готовы инвестировать в расширение производства для обеспечения стабильных поставок, сказал Колфилд.

    Цель состоит в том, чтобы удвоить производственные мощности на Мальте в ближайшие годы при финансовой поддержке компании, ее клиентов и федерального правительства, сказал пресс-секретарь Майкл Муллани.

    Компания GlobalFoundries использует аналогичную комбинацию инвестиций для повышения производительности своих заводов за рубежом; запланированное расширение завода по производству микросхем в Сингапуре на сумму 4 миллиарда долларов включает финансирование от правительства Сингапура.

    Калифорнийская компания Intel тем временем пообещала потратить 20 миллиардов долларов на строительство двух заводов в Аризоне. Генеральный директор Intel Пэт Гелсингер заявил, что Соединенные Штаты должны стремиться увеличить свою долю в мировом производстве микросхем до уровня выше 30 процентов.

    Как глобальная нехватка чипсов может повлиять на людей, которые просто хотят помыть своих собак программа в Калифорнийском университете в Беркли, который изучал производство чипов.

    «Тайвань и корейцы — лучшие в мире по соотношению цены и качества», — сказал он. США должны предпринять шаги по восстановлению своего производства полупроводников, но «глобальная цепочка поставок дает огромные преимущества в плане эффективности», — сказал он.

    Самые передовые производители — тайваньская TSMC и южнокорейская Samsung — объявили о планах строительства новых заводов в США и, как ожидается, получат право на федеральные субсидии, если они станут законом.

    Компании, производящие микросхемы, подчеркивают необходимость повышения качества образования в области STEM и подготовки кадров для подготовки кадров для производства полупроводников.

    «Для нас одной из трудностей является на самом деле получение отличных людей, потому что многое из того, что вы видите здесь, не так много колледжей, которые предлагают учебные программы по производству полупроводников», — сказал Белфи.

    В команде Белфи есть несколько бывших автомехаников, а также несколько бывших механиков ВВС, которые ремонтировали самолеты. «Многие из их внешних страстей связаны прямо с трассой Saratoga Speedway», — сказал он, имея в виду близлежащий гоночный трек для серийных автомобилей.

    0 comments on “Сложные полупроводники: Полупроводниковые Сложные полупроводники — Энциклопедия по машиностроению XXL

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.