Yarı İletkenlere Giriş
Yarı iletkenler, iletim ve değerlik bantları arasında küçük bir enerji boşluğuna sahiptir ve iletkenlerle yalıtkanlar arasında bir iletkenlik gösterir. Mutlak sıfır sıcaklığında, yarı iletken malzemeler saf bir yalıtkan olarak kabul edilir ve sıcaklık arttıkça iletkenlikleri artar. Sıcaklık ve doping, yarı iletkenlerin iletkenliğini yönetmek için iki mekanizmadır. Doping, saf yarı iletken elementlere (silisyum, germanium, gallyum ve arsenid gibi) safsızlıkların eklenmesi anlamına gelir. Saf yarı iletken elementlerin dopinglenmesi, doplanan elemana bağlı olarak N-tipi veya P-tipi kristal yapıları üretebilir. Diyotlar, transistörler ve çipler gibi çoğu yarı iletken cihazı, Şekil 1'de görüldüğü gibi, çeşitli P-tipi ve N-tipi kristal çatallarından yapılmaktadır.
Şekil 1 PN-kavşak yarı iletkeninin tipik modeli
Yarı İletken Teknolojilerinin Önemi
Dijital endüstride, yarı iletkenler her elektronik cihazın yapı taşıdır. Günümüzde yarı iletken teknolojilerinin önemi, akıllı telefonlar gibi bağlantı ve iletişimi kolaylaştırarak günlük faaliyetlere de yayılmıştır. Yarı iletkenler, karmaşık görevleri sadeleştirilmiş ve mini bir tarzda gerçekleştirmenin temel elementi olarak elektronik endüstrisinde kritik bir rol oynamaktadır. Teknolojik yeniliklerin yerinde ilerlemesi ve bilişim, iletişim, sağlık hizmetleri ve ulaşım gibi birçok sektörde hızlı gelişmeler için yarı iletken teknolojileri hayati öneme sahiptir. Yarı iletkenler, AI, gelişmiş görüntüleme ve otonom araçlar gibi yeni ortaya çıkan teknolojileri kolaylıkla destekler. Yarı iletken teknolojileri, eski teknolojilere kıyasla hız, güç verimliliği ve güvenilirlik açısından iyi bir performans sunmaktadır. Genel olarak, yarı iletkenler yenilikçi yollarla çeşitli uygulamalarda kullanıldığında, çoğu küresel zorluğun çözülmesine yardımcı olan iyi bir olanak sağlayıcı olarak ortaya çıkmaktadır.
Farklı Yarı İletken Teknolojilerine Genel Bakış
Bu makale BCD, CMOS, FinFET, SiGe, FDSOI, SOI GaN ve SiC gibi yarı iletken teknolojileri türlerini vurgulayacaktır. Temel özellikler, uygulamalar, avantajlar ve dezavantajlar karşılaştırmalı bir şekilde ele alınacaktır. Tamamlayıcı Metal-Oksit Yarı İletken (CMOS), tamamlayıcı N-tipi Metal-Oksit ve P-tipi Metal-Oksit transistör çiftleri kullanılarak oluşturulmuştur. BCD teknolojileri, Bipolar Junksiyon Transistörleri (BJT), CMOS ve Çift Difüze Metal-Oksit Yarı İletken (DMOS) kombinasyonunu bir çip üzerinde birleştirerek, çipin yüksek hızda, düşük güçte ve yüksek akım taşıma işlemi gerçekleştirmesini sağlar. FinFET yarı iletken teknolojileri, akım akış kontrolünü geliştirmek için silisyum kanalı etrafında 3D bir MOSFET yapısıdır. SiGe (Silisyum-Germanium), germanium ve silisyumu birleştirerek elektron hareketliliğini artıran bir yarı iletken teknolojisidir.
Ayrıca, kaçak akımlarını minimize etmek ve performansı artırmak için tam olarak boşaltılmış Silikon-İzolasyon (FDSOI) gibi birçok başka yarı iletken teknolojisi geliştirilmektedir ve izole edilmiş silisyum (SOI) kullanılarak parazitik kapasitansları minimize eden çözümler sunulmaktadır. Galliyum Nitrür (GaN), silisyum bazlı yarı iletkenlerden daha gelişmiş bir performansa sahip bir yarı iletken teknolojisidir; çünkü daha iyi elektron hareketliliği sağlar. Silikon Karbür (SiC), yüksek voltaj kırılması ve iyi termal özgürlük sunan silisyum ve karbon bazlı bir yarı iletken yapıdır.
CMOS Teknolojisinin Temelleri
CMOS, entegre devreleri (IC’ler) inşa etmek için kullanılan tamamlayıcı tabanlı bir yarı iletkendir. CMOS, düşük güç mantık kapıları ve bellek devreleri oluşturmak için p-kanal ve N-kanal MOSFET'ten inşa edilebilir. İnvertör, CMOS'un temelini oluşturur ve mantık fonksiyonlarını gerçekleştirmek için nMOS ve pMOS transistörlerinden oluşur. Şekil 2'de gösterildiği gibi, pMOS transistörleri pozitif besleme voltajına, nMOS'lar ise toprağa bağlanır. CMOS'da, bir taraf her zaman kapalı olduğundan, giriş değişmediği sürece neredeyse hiç güç tüketimi olmaz.
Şekil 2 CMOS devre şeması
CMOS Teknolojisinin Avantajları ve Dezavantajları
Yarı iletken teknolojilerinden biri olan CMOS'un birçok avantajı ve birkaç dezavantajı vardır.
Avantajlar:
Dezavantajlar:
CMOS Teknolojisinin Uygulamaları
CMOS, çoğu IC'nin temelini oluşturduğundan, uygulamaları aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.
No. |
CMOS Uygulamaları |
Açıklamalar |
1 |
Mantık devreleri |
CMOS, AND, OR, NOT devrelerinin yapı taşlarını oluşturur. |
2 |
Mikroişlemciler |
Modern CPU'ların hemen hepsi, bilgisayarlar, sunucular, akıllı telefonlar vb. CMOS işlem düğümleri kullanılarak üretilir. |
3 |
RF ve iletişim devreleri |
RF amplifikatörleri, osilatörler ve kablosuz iletişim için transceiver'ler için RF uygulamalarında CMOS kullanılır. |
4 |
Bellek Çipleri |
CMOS teknolojisi, yüksek yoğunluklu bellek dizileri için SRAM ve DRAM gibi birçok bellek türünün temelidir. |
5 |
Karışık sinyal IC'ler |
CMOS, ses işleme, veri dönüştürücüler (ADC/DAC) için aynı çipte analog ve dijital devrelerin entegrasyonuna olanak tanır. |
6 |
Görüntü sensörleri |
Modern dijital kameralar, daha iyi ışık hassasiyeti için CMOS görüntü sensörlerini kullanmaktadır. |
7 |
Ekran sürücüleri |
LCD ve LED kontrol cihazları, video sinyalleri iletmek için CMOS devrelerini kullanır. |
8 |
Güç yönetimi IC'leri |
CMOS'un yüksek verimliliği nedeniyle şarj cihazları ve voltaj dönüştürücüler az güç tüketir. |
9 |
Tüketici Elektroniği |
CMOS, televizyonlar, oyun konsolları ve ev aletleri de dahil olmak üzere geniş bir cihaz yelpazesinde kullanılır. |
10 |
Tıbbi cihazlar |
Görüntüleme, tanı ve terapötik ekipmanlar için entegre devreler, CMOS süreci ile tasarlanmaktadır. |
11 |
Otomotiv uygulamaları |
Motor kontrol üniteleri ve gelişmiş sürücü destek sistemleri gibi çeşitli elektronik sistemlerin temelini sağlar. |
BCD Teknolojisinin Temelleri
BCD (bipolar-CMOS-DMOS) yarı iletkeni, analog ve dijital fonksiyonların verimli bir şekilde birleşimi amacıyla BJT, CMOS ve DMOS adlı üç tür transistör teknolojisinin entegrasyonu ile inşa edilmiştir. DMOS, geleneksel MOSFET'lerden daha yüksek voltaj yeteneği sağlamak için bir dren difüzyonu ile modifiye edilmiş bir MOSFET'tir. Böylece, BCD'ler, CMOS'un daha düşük seviyeli mantık fonksiyonlarını ve BJT-DMOS'un yüksek voltaj fonksiyonlarını performans sergileyebilir. BCD, eski BiCMOS işlemcilerin performansını artıran karışık sinyal tasarımına sahip bir çip içinde tamamen entegre bir sistemdir. Üretim sürecinde BCD, bir montajlı silisyum katmanının yanı sıra çeşitli transistör türleri için iyon implantasyonu içerir. Metalik katmanlar bireysel bileşenleri birbirine bağlarken, farklı transistörler arasında etkileşimleri önlemek için izolasyon mekanizmaları uygulanır. BCD'ler, karmaşık gömülü sistemlerde çekirdeklerin, belleklerin, I/O pinlerinin, ADC/DAC'lerin ve güç transistörlerinin küçük alanlarda entegrasyonunu sağladıkları için birçok mikrodenetleyici, işlemci ve karışık sinyal ASIC'lerinde kullanılır.
Şekil 3 BCD'nin Şematik Diyagramı
Avantajları ve Dezavantajları
Avantajlar:
Dezavantajlar:
BCD Uygulamaları
BCD yarı iletken teknolojileri, akıllı güç modülleri oluşturmak için güç yönetimi IC'leri olarak uygulanmaktadır. Voltaj regülatörlerinde, DC-DC dönüştürücülerde ve batarya sistem yönetiminde kullanılmaktadırlar. Ayrıca otomotiv ve endüstriyel sektörlerde çeşitli motorları çalıştırmaya yarayacak şekilde kullanılmaktadır. BCD'ler, entegre bir şekilde analog, dijital ve güç fonksiyonlarını aynı çip üzerinde çalıştıran çekirdek parçalarıdır. BCD'ler ayrıca otomotiv, endüstriyel, ev aletleri, tıbbi ve telekom uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
FinFET Teknolojisinin Temelleri
FinFET, modern CPU ve GPU üretim süreçlerinde kullanılan bir tür düzlem dışı alan etkili transistördür ve klasik düzlem yapılarla ilişkili zorlukların üstesinden gelmek için adapte edilmiştir. Fin, alt tabakanın üstünde uzanan ince bir silisyum şeridini ifade eder ve iletken bir kanal bölgesi olarak işlev görür. Bir alan etkili transistörde, akım, uygulanan voltajın kapıda olduğu durumlarda bir kanaldan akar. Kapı ile kanal arasındaki daha geniş temas alanı, transistör verimliliğini artırır. Şekil 4'te gösterildiği gibi, FinFET'in temas alanı fin şeklindeki 3D yapı ile artırılır. 3D yapı, kanal üzerindeki elektrostatik kontrollerin daha iyi yönetilmesi sayesinde kısa kanal etkisini azaltmada daha etkilidir. Böylece, FinFET transistörü, düzlem yapı ile karşılaştırıldığında kaçak akımı azaltır ve parazitik kapasiteleri minimize ederek performansını geliştirir. Düzlem CMOS'un aksine, FinFET transistörü ince siliconun üç tarafında inşa edilmiştir.
Avantajlar ve Dezavantajlar
FinFET transistörlerinin avantajları ve dezavantajları aşağıda belirtilmiştir.
Avantajlar |
Dezavantajlar |
Kaçak akımı azaltma |
Karmaşık 3D yapı |
Kapı kontrolünü geliştirme |
Daha yüksek üretim maliyeti |
Daha iyi performans |
Kaynak ile dren arasındaki temas direnci sorunları |
Yüksek Akım sürme |
Artan parazitik kapasitanslar |
Daha büyük ölçeklenebilirlik |
FinFET Uygulamaları
FinFET süreci, Intel, Samsung, NVIDIA ve diğer büyük elektronik şirketler tarafından 10nm'nin altındaki ileri mantık çip üretiminde kullanılmaktadır; bu da yüksek performanslı GPU ve SoC'ler için geçerlidir. FinFET çipler, mobil cihazlarda, sunucularda, bilgisayarlarda, ağ ekipmanlarında, AI hızlandırıcılarda, HPC sistemlerinde ve kablosuz sistemlerde uygulanabilir. FinFET transistörleri, yüksek yoğunluk ve düşük güç tüketimi gibi avantajları nedeniyle geniş bir dijital donanımda kullanılmaktadır.
SiGe Teknolojilerinin Temelleri
SiGe, bir alaşım yapısı oluşturularak silisyuma (Si) kontrol edilebilir bir germanium (Ge) eklenmesiyle oluşturulmuş bir yarı iletkendir. Böylece saf silisyumun enerji bant boşluğunu azaltarak, farklı SiGe konsantrasyonuna sahip emiter ve baz terminalleri içeren bir hetero yapı bipolar transistör (HBT'ler) üretir (Şekil 5). SiGe yarı iletkenleri, geleneksel silisyum bipolar transistörlerden daha iyi performans sergiler. Bu teknolojide, belirli uygulamalar için yarı iletken enerji bant boşluğunu ayarlamak mümkündür ve bu, Si'ye eklenen Ge miktarını kontrol ederek delik ve elektron hareketliliğini yönetme esnekliği sağlar. SiGe bileşenlerinin hızı, daha fazla Ge kompozisyonu eklenerek artırılabilir, ancak bu üretimde zorluk yaratmaktadır.
Avantajlar ve Dezavantajlar
Avantajlar:
Dezavantajlar:
SiGe Uygulamaları
SiGe transistörleri daha çok ileri iletişim ve bilişim sistemlerinde yaygındır. Hücresel iletişimde, yüksek hızlı kablolu ağlarda ve yakın radyo iletişimlerinde en yaygın RF devreleri SiGe transistörleri kullanır. Özellikle, ortaya çıkan 5G, B5G, ve 6G mm-dalga ve Terahertz iletişimleri, yüksek performanslı karışık sinyal IC'leri ve monolitik mikrodalga entegre devreleri (MMIC'ler) SiGe teknolojileri ile son derece bağlantılıdır. Ayrıca SiGe, ISM hizmetlerinde, radar sistemlerinde, fiber optik sistemlerde, otomotiv endüstrilerinde ve ölçüm cihazlarında kullanılmaktadır.
FDSOI Temelleri
Tamamen Boşaltılmış Silikon Üzerinde İzolatör (FDSOI), IC üretimi için kullanılan son teknoloji bir CMOS üretim sürecidir (Şekil 6). Normal CMOS üretiminde kullanılan ham silisyum bileşenlerinin aksine, bir dielektrik alt tabaka üzerinde ince bir silisyum tabakası oluşturulur. Bu sayede elektrostatikler kontrol edilir ve boşaltılmış transistörler aracılığıyla kaçak akımlar en aza indirilir. Transistörler sıfır kaçak akıma veya kapalı olduğunda, ultra ince silisyum tabakası tam yük boşaltımı sağlar, bu da verimliliği ve performansı artırır. Geri-biasing, iletken alt tabaka üzerinden eşik voltajını ve güç karakteristiklerini kontrol eder.
Avantajlar ve Dezavantajlar
Avantajlar:
Dezavantajlar:
FDSOI Uygulamaları
FDSOI'ler, havacılık elektroniği gibi birçok önemli uygulamada kullanılmaktadır. Verimli güç kullanımı sayesinde akıllı telefonlar ve tabletler gibi çok sayıda cihazda uygulanabilirler. Enerji verimliliği sağlamak ve alan sınırlamalarını minimize etmek için Nesnelerin İnterneti, otomotiv endüstrileri, bilişim ve ağ ekipmanlarında kullanılmaktadır. Ayrıca, yüksek enerji verimliliği ve dayanıklılığı nedeniyle tıbbi elektroniğe implant edilebilen cihazlar ve fabrika otomasyon ekipmanları için tercih edilmektedir.
SOI Temelleri
SOI yarı iletkeni, geleneksel silisyum çipler yerine katmanlı bir silisyum-izolatör-silisyum alt tabakalı mikroçipi ifade eder (Şekil 7). Bu, elektriksel olarak izole edilmiş silisyum oksit üzerinde bulunan ince bir silisyum katmanına sahip olunduğu anlamına gelir ve parazitik kapasitansları azaltarak performans iyileştirmesi sağlanabilir. Modern SOI süreci, daha önceki işlemlerde izole edilmiş silikondan farklı olarak bağlama için oksijen implantasyonu (SIMOX) teknoloji uygulamaktadır. SOI transistörleri, film kalınlığına bağlı olarak kısmen boşaltılmış (P-SOI) veya tamamen boşaltılmış (FDSOI) olabilmektedir; bu da SOI'nin performansını ve verimliliğini etkiler.
Avantajlar ve Dezavantajlar
Avantajlar:
Dezavantajlar:
SOI Uygulamaları
SOI yarı iletkenleri, yüksek hız ve düşük güç işletimi talep eden birçok elektronik bileşen, mikroişlemci ve gömülü sistemde daha yaygındır. Bu nedenle, mobil cihazlarda ve kablosuz altyapılarda güç verimliliği, ağ ekipmanlarında ve endüstriyel otomasyonda güvenilir çalışmaları ve yüksek hızlı hesaplama cihazları nedeniyle kullanılır.
GaN, galliyum ve nitrojen içeren bir yarı iletken teknolojisidir (Şekil 8). Bu bileşik, diğer yarı iletken teknolojilerden daha iyi bir bant boşluğuna (genellikle 3.4 eV) sahiptir. GaN, yüksek voltaj ve yüksek frekansta elektrik iletebilir. GaN, silisyum yarı iletkenlerine göre daha yüksek kırılma voltajına, daha iyi elektron hareketliliğine ve iyi termal iletkenliğe sahiptir.
GaN'ın Avantajları ve Dezavantajları
Avantajlar:
Dezavantajlar:
GaN Uygulamaları
GaN, batarya şarjı, LED aydınlatma, veri merkezi güç kaynağı, elektrikli araç (EV) elektroniği ve yüksek frekans anahtarlama gibi güç anahtarlama uygulamalarında sıklıkla kullanılır. Ayrıca, enerji altyapısında, aydınlatmada, endüstriyel enstrümantasyonda ve tüketici elektroniğinde GaN kullanılmaktadır.
SiC Temelleri
SiC teknolojisi, Silisyum ve Karbon bileşenlerinden oluşan diğer bir geniş bant aralığında (genellikle 2.9-3.3 eV aralığında) yarı iletkendir (Şekil 9). Daha geniş bant aralığı, SiC'nin, silisyum yarı iletkenlere göre daha yüksek sıcaklıklarda, voltajlarda ve frekanslarda çalışmasına olanak tanır. En yaygın SiC yarı iletken türleri 4H-SiC ve 6H-SiC'dir; bunlar MOSFET veya JFET benzeri bir yapı ile üretilmektedir.
SiC'nin Avantajları ve Dezavantajları
Avantajlar:
Dezavantajlar:
**Bu yazı ilk olarak anysilicon websitesinde görülmüştür.