Çip nedir, yarı iletken ne işe yarar?

Yarı iletken nedir?

Maddeler elektriği iletme yeteneklerine göre üç gruba ayrılabilir. Bakır gibi iletkenler elektriği kolayca iletir, cam ve plastik gibi yalıtkanlar neredeyse hiç iletmez. Yarı iletkenler ise bu ikisinin arasında yer alır. Elektronik açısından onları değerli kılan, iletkenliklerinin dışarıdan kontrol edilebilmesidir.

Elektronikte en çok kullanılan yarı iletken silisyumdur; Türkçede İngilizcesinden gelen “silikon” adıyla da anılır. Saf silisyuma çok küçük miktarlarda başka elementler eklenmesine “katkılama” denir. Bu yolla elde edilen n tipi ve p tipi bölgeler yan yana getirildiğinde, akımın yönünü ve geçişini denetleyen yapılar oluşturulabilir. Diyotlar, transistörler ve güneş panelleri bu prensibe dayanır.

Yarı iletkenlerin bir diğer önemli özelliği, sıcaklık ve ışık gibi dış etkilere tepki vermeleridir. Bu özellik sayesinde aynı malzemeden ışığı elektriğe çeviren güneş hücreleri, elektriği ışığa çeviren LED’ler ve sıcaklığı ölçen sensörler de üretilebilir.

Transistör nasıl doğdu?

20. yüzyılın ilk yarısında elektronik cihazlar sinyalleri yükseltmek ve açıp kapamak için elektron tüplerini kullanıyordu. Tüpler büyük, kırılgan, çok enerji tüketen ve sık arızalanan parçalardı. ABD’deki Bell Laboratuvarları, telefon şebekesinde tüplerin yerini alacak katı hâl bir eleman arıyordu.

John Bardeen ve Walter Brattain, 16 Aralık 1947’de bir germanyum parçası üzerine yerleştirilen iki altın kontakla sinyali yükselten ilk başarılı yarı iletken yükselteci elde etti; düzenek 23 Aralık’ta laboratuvar yöneticilerine gösterildi. Grubun lideri William Shockley kısa süre sonra daha sağlam bir transistör türü tasarladı. Üç bilim insanı, “yarı iletkenler üzerine araştırmaları ve transistör etkisini keşifleri” nedeniyle 1956 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaştı.

Entegre devre neyi değiştirdi?

Transistörler tüplerden çok daha küçüktü, ama devreler hâlâ ayrı ayrı parçaların tellerle birbirine bağlanmasıyla kuruluyordu. Parça sayısı arttıkça kablolama karmaşıklaşıyor, hata riski yükseliyordu. Çözüm, bütün devre elemanlarını tek bir yarı iletken parça üzerinde üretmekti.

• 12 Eylül 1958: Texas Instruments’ta çalışan Jack Kilby, germanyum üzerinde çalışan ilk entegre devre modelini gösterdi.
• Temmuz 1959: Fairchild’dan Robert Noyce, Jean Hoerni’nin düzlemsel üretim tekniğine dayanan silisyum entegre devre için patent başvurusu yaptı.
• Mayıs 1960: Fairchild mühendisleri ilk çalışan tek parça (monolitik) silisyum entegre devreleri üretti.
• 2000: Kilby, entegre devrenin icadındaki payı nedeniyle Nobel Fizik Ödülü’nü paylaştı.

Noyce’un düzlemsel yöntemi, entegre devrelerin büyük hacimde üretilmesini mümkün kıldı ve bugün de çip üretiminin temel yaklaşımı olmayı sürdürüyor.

Bir çip nasıl üretilir?

Çip üretimi, saf silisyumdan büyütülen silindir biçimli kristallerin ince dilimler hâlinde kesilmesiyle başlar. Bu dilimlere “pul” ya da “wafer” denir. Ardından fotolitografi adı verilen bir yöntemle devre deseni ışık kullanılarak yüzeye aktarılır; aşındırma, katkılama ve ince metal katmanların kaplanması gibi adımlar defalarca tekrarlanır. Tek bir pul üzerinde yüzlerce çip birlikte üretilir, sonra test edilip birbirinden ayrılır ve koruyucu kılıflara yerleştirilir. Toz zerresinin bile devreyi bozabileceği bu süreç, havası özel olarak süzülen “temiz odalarda” yürütülür.

Entegre devrenin en büyük avantajı, bileşenlerin aynı anda ve aynı süreçle üretilmesidir. Bu sayede devreler küçülür, aralarındaki bağlantılar kısalır, enerji tüketimi azalır ve parça başına maliyet düşer. İlk entegre devrelerde birkaç bileşen bulunurken bugünün gelişmiş işlemcilerinde milyarlarca transistör yer alır. Transistörler küçüldükçe aynı alana daha fazlası sığar ve çipler hem daha hızlı hem de daha az enerjiyle çalışabilir.

Moore Yasası nedir?

Fairchild’ın araştırma direktörü Gordon Moore, 19 Nisan 1965’te yayımlanan makalesinde bir çipe sığdırılan bileşen sayısının her yıl yaklaşık iki katına çıktığını gözlemledi. Moore 1975’te bu öngörüyü “her iki yılda bir iki katına çıkma” olarak güncelledi. Doğa yasası değil, bir gözlem ve öngörü olan bu ilke, on yıllar boyunca yarı iletken sektörünün hedeflerini belirledi.

Çip üretimi dünyanın en karmaşık sanayi süreçlerinden biri olarak kabul edilir. Gelişmiş bir üretim tesisinin kurulması çok yüksek yatırım gerektirir ve süreçte kullanılan makineler, kimyasallar ve tasarım yazılımları farklı ülkelerdeki uzman şirketlerden gelir. Bu nedenle yarı iletkenler, otomobilden telefona pek çok sektörün bağımlı olduğu stratejik ürünler arasında yer alır.

Sık yapılan yanılgılar

“Çip” sözcüğü günlük dilde yalnızca bilgisayar işlemcisi anlamında kullanılır; oysa bellekler, sensörler, güç denetim devreleri ve daha pek çok parça da çiptir. Bir diğer yanılgı, silisyum ile silikonun farklı maddeler olduğudur. Türkçede “silikon” kelimesi hem elementin kendisi için hem de esnek sızdırmazlık malzemeleri için kullanıldığından karışıklık doğar; çiplerde kullanılan madde silisyum elementidir.