Halvledare är en kritisk del av nästan alla moderna elektroniska enheter, och den stora majoriteten av halvledare tillverkas i Tawain. Ökande oro över beroendet av Taiwain för halvledare – särskilt med tanke på det svaga förhållandet mellan Taiwan och Kina – ledde till att den amerikanska kongressen antog lagen om CHIPS och vetenskap i slutet av juli 2022. Lagen ger mer än 50 miljarder USD i subventioner för att öka USA:s halvledare produktion och har fått stor uppmärksamhet i nyheterna. Trevor Thornton, en elektroingenjör som studerar halvledare, förklarar vad dessa enheter är och hur de är tillverkade.

1. Vad är en halvledare?

Generellt sett hänvisar termen halvledare till ett material - som kisel - som kan leda elektricitet mycket bättre än en isolator som glas, men inte lika bra som metaller som koppar eller aluminium. Men när folk pratar om halvledare idag syftar de vanligtvis på halvledarchips.

Dessa chips är vanligtvis gjorda av tunna skivor av kisel med komplexa komponenter utlagda på dem i specifika mönster. Dessa mönster styr strömflödet med hjälp av elektriska strömbrytare - så kallade transistorer - på ungefär samma sätt som du styr den elektriska strömmen i ditt hem genom att vrida på en strömbrytare för att tända en lampa.

Skillnaden mellan ditt hus och ett halvledarchip är att halvledarswitchar är helt elektriska – inga mekaniska komponenter att vända på – och chipsen innehåller tiotals miljarder switchar i ett område som inte är mycket större än storleken på en nagel.

2. Vad gör halvledare?

Halvledare är hur elektroniska enheter behandlar, lagrar och tar emot information. Till exempel lagrar minneschips data och programvara som binär kod, digitala chips manipulerar data baserat på programvaruinstruktionerna och trådlösa chips tar emot data från högfrekventa radiosändare och omvandlar dem till elektriska signaler. Dessa olika chips arbetar tillsammans under kontroll av programvara. Olika mjukvaruapplikationer utför väldigt olika uppgifter, men de fungerar alla genom att växla transistorerna som styr strömmen.

3. Hur bygger man ett halvledarchip?

Utgångspunkten för de allra flesta halvledare är en tunn skiva kisel som kallas en wafer. Dagens oblat är lika stora som mattallrikar och är skurna av enkla kiselkristaller. Tillverkare lägger till element som fosfor och bor i ett tunt lager på kiselytan för att öka chipets ledningsförmåga. Det är i detta ytskikt som transistoromkopplarna görs.

Transistorerna är byggda genom att lägga till tunna lager av ledande metaller, isolatorer och mer kisel till hela wafern, skissera mönster på dessa lager med hjälp av en komplicerad process som kallas litografi och sedan selektivt ta bort dessa lager med datorstyrda plasma av mycket reaktiva gaser för att lämna specifika mönster och strukturer. Eftersom transistorerna är så små är det mycket lättare att lägga material i lager och sedan försiktigt ta bort oönskat material än att placera mikroskopiskt tunna linjer av metall eller isolatorer direkt på chipet. Genom att deponera, mönstra och etsa lager av olika material dussintals gånger kan halvledartillverkare skapa chips med tiotals miljarder transistorer per kvadrattum.

4. Hur skiljer sig marker idag från de tidiga markerna?

Det finns många skillnader, men den viktigaste är förmodligen ökningen av antalet transistorer per chip.

Bland de tidigaste kommersiella tillämpningarna för halvledarchips var fickkalkylatorer, som blev allmänt tillgängliga på 1970-talet. Dessa tidiga chips innehöll några tusen transistorer. 1989 introducerade Intel de första halvledarna som översteg en miljon transistorer på ett enda chip. Idag innehåller de största chipsen mer än 50 miljarder transistorer. Denna trend beskrivs av vad som kallas Moores lag, som säger att antalet transistorer på ett chip kommer att fördubblas ungefär var 18:e månad.

Moores lag har hållit i sig i fem decennier. Men under de senaste åren har halvledarindustrin varit tvungen att övervinna stora utmaningar – främst hur man fortsätter att krympa storleken på transistorer – för att fortsätta denna framstegstakt.

En lösning var att byta från plana, tvådimensionella lager till tredimensionella lager med fenformade åsar av kisel som sticker upp ovanför ytan. Dessa 3D-chips ökade avsevärt antalet transistorer på ett chip och är nu i utbredd användning, men de är också mycket svårare att tillverka.

5. Kräver mer komplicerade chips mer sofistikerade fabriker?

Enkelt uttryckt, ja, ju mer komplicerat chipet är, desto mer komplicerat – och dyrare – fabriken.

Det fanns en tid då nästan varje amerikanskt halvledarföretag byggde och underhållit sina egna fabriker. Men idag kan ett nytt gjuteri kosta mer än 10 miljarder dollar att bygga. Endast de största företagen har råd med den typen av investeringar. Istället skickar majoriteten av halvledarföretag sina konstruktioner till oberoende gjuterier för tillverkning. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. och GlobalFoundries, med huvudkontor i New York, är två exempel på multinationella gjuterier som bygger chips åt andra företag. De har expertis och stordriftsfördelar för att investera i den enormt dyra teknik som krävs för att producera nästa generations halvledare.

Ironiskt nog, medan transistorn och halvledarchipset uppfanns i USA, finns inga toppmoderna halvledargjuterier för närvarande på amerikansk mark. USA har varit här tidigare på 1980-talet när det fanns oro för att Japan skulle dominera den globala minnesbranschen. Men med den nyligen antagna CHIPS-lagen har kongressen gett incitamenten och möjligheterna för nästa generations halvledare att tillverkas i USA

Kanske kommer chipsen i din nästa iPhone att vara "designade av Apple i Kalifornien, byggd i USA." + Utforska vidare

Åtgärda mikrochipsbristen

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.