Püriidist integraalskeemideni

Foto:Hannu Häyhä

1874. aastal leiutatud pooljuhtivuse rakendused on toonud elektroonikasse revolutsioonilise pöörde ja selle kaudu kogu inimkonna ellu. Pooljuhid on peaaegu kogu kaasaegse tehnika alussammasteks.

Pooljuhid saadavad tänapäeval inimest peaaegu kõigis tema toimingutes. On üsna raske nimetada olukorda, kus ei osaleks üks või teine pooljuhist komponent.
Pooljuhtkomponendid, nagu transistorid, mikroprotsessorid, andurid ja LEDid, on hõivanud olulise koha pea kõigis tähtsamates elektroonilistes rakendustes, olgu see arvuti või taskulamp.
Sellest hoolimata on sõna „pooljuht” paljudele meist üsna võõras. Kuna küsimus on ühes inimeste elu enim mõjutavas leiutises, siis on igati põhjendatud sukelduda hetkeks elektroonika ajalukku.
Möödunud aastal sai juba 140 aastat pooljuhtivuse avastamisest. Algul olid sobivateks materjalideks ainult looduses leiduvad mineraalid. Esimesed 70 aastat möödusid, ilma et pooljuhid oleksid andnud märku nende suurest rollist tulevikuelektroonikas.
Transistori leiutamine muutis kiiresti kõik. Transistori ja natuke hiljem juba integraalskeemide leiutamine andis nende loomisele ja kasutamisele lausa eksponentsiaalse kasvu, mis on kestnud juba üle 50 aasta ning lõppu ei paistagi.

Püriidid ja plii
Saksa füüsik Ferdinand Braun avastas pooljuhtivuse aastal 1874 ja hiljem leiutas ka katoodkiirte toru, millest kasvas välja ka televiisorite kineskoop. Ta täheldas, et mõned metallisulfiidid ja -oksiidid toimivad alalditena. Praktiliselt leiutas Braun tänapäeval dioodiks nimetatava elektroonikakomponendi. Diood toimib nagu ventiil: ta juhib elektrit vaid ühes suunas, takistades selle liikumist tagurpidi.
Elektroonika alguspäevadel ei kasutatud sõna „diood”, vaid räägiti „pliiläigist” (pliiläik). Küsimus oli väikesest tükikesest pooljuhina toimivast mineraalist, nagu pliisulfiid või rauasulfiid. Mineraalitükikene oli kinnitatud ühe kontaktina toimivale metallalusele. Teine kontakt (hüüdnimega kassivurr) oli metallniit, mille teravik puudutas mineraali.
Metallniidi ja mineraali kokkupuutekohas moodustus ala, mida kutsutakse schottky-liiteks ja mis laseb elektrivoolul liikuda vaid ühes suunas.
Kuid looduses leiduvate mineraalide omadused varieeruvad palju ja kõik kristallid ei toimi pooljuhtidena. Lisaks ilmnes, et soovitud omadus esineb mineraalitükikese pinnal vaid üksikutes kohtades ja tulemus sõltub ka puudutuse tugevusest, mis muutis seadme töö ebakindlaks ning vajas pidevat torkimist. See leidis siiski rakendust eelmise sajandi algusaastatel koduseks kasutamiseks mõeldud detektorraadiotes. Nendes muundas see amplituudmodulatsiooniga (AM) pikalainelised raadiosignaalid kõrvaklappides kuuldavaks.
See oli esimene näide pooljuhtide kasutamisest elektroonikas ning mõnda aega tundus, et see jääb ka viimaseks.

Elektrontorude valitsemisaeg
Aastal 1906 leiutas ameeriklane Lee De Forest esimese võimendina töötava elektroonikakomponendi ehk elektrontoru. Leiutaja poolt „audioniks” kutsutu sai hilisemas rakenduses nimeks triood. Selle õhutühjas klaastorus on kolm elektroodi, milles ühele rakendatava juhtpinge abil saab mõjutada kahe ülejäänu vahel kulgeva elektrivoolu tugevust. See elektrontoru liik on arenenumal kujul kasutuses veel tänapäevalgi näiteks kitarri helivõimenduses.
Elektrontoru ei ole pooljuhtkomponent, kuid põhjuseks, miks teda mainida pooljuhtide ajaloos, on see, et ta saavutas kiiresti laia leviku. Selle tulemusena aeglustus pooljuhtide uurimine ligi kümneks aastaks. Elektrontoru säilitas juhtiva rolli kuni 1960ndate aastateni, mil transistorid temast lõplikult möödusid.
Mõned elektrontoru liigid olid kasutuses siiski veel üsna kaua ja mõned on seda isegi tänapäeval. Katoodtoru (kineskoop) tõrjuti kasutusest kõrvale alles käesoleva aastatuhande alguses, kuid mikrolaineahjudes kasutatav magnetron ei kao veel kuhugi. Vähesel määral kasutatakse raadiolampe muusikute poolt helivõimendusseadmetes Venemaal ja Hiinas.
1900ndate esikümnetel ei juhtunud pooljuhtide rindel õieti midagi. 1930ndate keskel leiutati ebakindlalt töötava kristalldetektori asemele teravikdiood. Seda kasutati juba ka esimeste radarite signaalivastuvõtjates.
Teravikdiood meenutab veidi oma eelkäijat kristalldetektorit, milles mineraalitükike on siiski asendatud eriti puhtast germaaniumist või ränist valmistatud killukesega. Peale suurema töökindluse on ka selle elektrilised omadused märgatavalt paremad.
Huvi pooljuhtide vastu kasvas jälle 1940ndatel aastatel ja selles mängis oma osa ka Teine maailmasõda.
Esimesed elektronlampidest valmistatud arvutid tõid selgesti nähtavale ka nende puudused. Nad olid töös liiga ebakindlad, suuremõõdulised, tootsid palju soojust ja kulutasid ropult energiat. Ka sõjatööstus vajas arenenumat elektroonikat, näiteks rakettides, ja ka alustav kosmosetehnika kiirendas pooljuhtide arendamise võidujooksu.

Germaanium
Looduslikest mineraalidest ei õnnestunud kuidagi valmistada kristalldetektorist erinevaid transistoreid. See osutus osaliselt võimalikuks alles siis, kui oli õpitud valmistama äärmiselt puhtaid lähteaineid – alguses germaaniumi.
Piisav puhtus saavutati tsoonkuumutuse abil, mille käigus germaaniumivarrast liigutati kõrgsageduslikus kuumutusseadmes. Varras sulas kihtide kaupa ja ebapuhtad osad valgusid varda teise otsa. Seda korrati mitu korda.
Puhtusenõuded on erakordselt kõrged, sest isegi transistorite valmistamise alguaastatel loeti küllalt puhtaks lähteaine, mis sisaldas võõra aine aatomitest maksimaalselt ühe miljardiku.
Puhastatud germaaniumile lisatakse soovitud elektrijuhtivuse saavutamiseks lisandeid (seosaineid), näiteks indiumi. Lisaainete hulk on väga väike, vaid iga miljones aatom. Ainete lisamine toimub niinimetatud kristalli kasvatamise protsessis.
Kristallikasvatus ehk germaaniumi muutmine monokristalliks on viimane etapp tooraine ettevalmistusest. Alles seejärel sobib lähteaine pooljuhtkomponendi materjaliks. Germaaniumi monokristalli saamiseks germaanium kõigepealt sulatatakse ja pärast väikese alustuskristalli viimist kontakti selle sula materjali pinnaga hakatakse seda aeglaselt vedama ülespoole, samal ajal all sula germaaniumi ringiratast pöörates. Sobivate tingimuste korral sula germaanium muutub monokristalliks ja vedamise tulemus eraldub kangina nagu pulgakomm.
Tänapäevaste enamlevinud pooljuhtide ehk monokristallilise räni valmistamine toimub ka ülakirjeldatud viisil.

Esimene transistor
Esimese transistori leiutasid USAs Belli laboratooriumis kolm meest – Shockley, Bardee ja Brattain. Seda esitleti majasiseselt 23. detsembril 1947 ning avalikustati järgmisel aastal.
Tegemist oli teraviktransistoriga. Seade meenutas teravikdioodi, kuid selles puudutasid germaaniumitükikese pinda ühe asemel kaks metalliteravikku.
See transistoritüüp läks küll müüki, kuid selle iga jäi lühikeseks, sest valmistamine oli tülikas ning töökindluski polnud kiita. Lisaks olid esimese põlvkonna transistorid liiga tundlikud värinate-raputamiste suhtes. Siiski algas üha kiirenev areng, sest elektronlampidega võrreldes olid transistorite headeks omadusteks väikesed mõõtmed ja vähene energiakulu.
1949. aastal leiutas eespool mainutud rühma liige Shockley liittransistori, mis oli oma olemuselt pindtransistor, ja natuke hiljem võileiva tüüpi korrus-transistori. Viimasena mainitu oli esimene lootustandev ja tööstuslikuks tootmiseks sobiv transistoritüüp.
Esimesed tarbijatele mõeldud transistorraadiod tulid müüki 1950ndate keskel, seega seitse aastat pärast transistori leiutamist.
On tähelepanuväärne, et transistorite nimetused on sageli nii inglise kui ka eesti keeles üsna muutuvad ja ei ole sugugi ainukesed. Ka algusaastate komponentide leiutamisajad on erinevad, sõltuvalt allikast. Selle üks põhjus seisneb selles, et mõned autorid lähtuvad leiutise tegelikust ajast, teised aga selle avalikustamise ajast.

Räni vallutab maailma
Pooljuhtidest transistorite algusaastatel valitses germaanium. Temaga kaasnesid aga mitmed mured. Esiteks see, et germaanium on üpris haruldane element, mille sisaldus maakoores moodustab vaid 1,5 miljondikku osa. Teiseks saab seda kasutada vaid temperatuuril alla saja kraadi. Lisaks on nn blokeerimisvoolu suurus ja omaduste sõltuvus temperatuurist lubamatult suured.
Niisiis ei ole sugugi ime, et teine samasse IV-sse elementide rühma kuuluv materjal, räni, hakkas 1960ndatel aastatel kiiresti korvama neid germaaniumi puudusi. Tänapäeval on räni ülivõimsalt valitsev pooljuhtkomponentide materjal.
Räni on maakoores sisalduselt teisel kohal. Seda leidub maakoores germaaniumiga sarnaselt vaid ühendites. Räni saamiseks kasutatakse maakoores levinuimat mineraali – ränidioksiidi ehk kvartsi.
Esimesed ränitransistorid valmitati 1950ndate keskel. Varasemad komponendid sarnanesid germaaniumist valmistatutega. Germaaniumist pooljuhtidega seadmete lisaprobleem seisnes selles, et nende osi valmistati kaua ühekaupa. Räni omadused võimaldasid välja töötada suuremastaapse masstootmise.

Algab masstootmine
Kui puhtast ränist valmistatud ketast kuumutada happes, siis ketta pinnal moodustub keemiliselt ja mehaaniliselt eriti vastupidav ning voolutundlik kvartsi ehk ränioksiidikiht. Oksiidikihti võib aga fluorhappega söövitada auke ja kujutisi. Nende süvendite kaudu on omakorda jällegi võimalik lisada ränile teatud aineid selle elektriliste omaduste muutmiseks. Neid oksüdeerimis-, söövitamis- ja lisamisprotsesse võib korrata palju kordi. Viimases etapis võib ketta pinna katta veel alumiiniumiga, hoides ketast alumiiniumiaurudes. Söövitades metallikihti, saab elementidele moodustada vooluteid ja komponentidele ühenduspunkte.
Eespool kirjeldatu on planaarprotsess, mis leiutati 1950ndate aastate lõpus. See tegi kahel järgneval aastakümnel võimalikuks maailma muutvate rakenduste loomise.
Esiteks avanes võimalus paigutada ühele ränikristallile tohutu hulk erinevaid transistoreid ning muid komponente, mille tõttu üksikute komponentide valmistamiskulud vähenesid. Teiseks sai võimalikuks samale räniplaadile paljude üksteisega ühendatud osade paigutamine. Nii sündisid mikrokiibid, mille tõttu üksikute osade hind hakkas veelgi langema ja elektroonika mõõtmete vähenemine sai sisse peadpööritava hoo.
Esimene kaubanduslik mikrokiip valmistati 1960ndate alguses. Tegu oli vaid kümmekonda komponenti ühendava mikrokiibiga. Üle-eelmisel aastal avalikustatud IBMi Power8 protsessoris on ühel kristallil tervelt 4,2 miljardit transistorit.
Gordon E. Moori poolt aastal 1965 sõnastatud seadus ütleb, et transistorite arv ühel kiibil kahekordistub iga kahe aastaga. See seadus on siiani paika pidanud ja märke tema taandumisest ei paista. Pooljuhid on vallutanud kogu maailma ning neid leidub pea kõikides igapäevastes tarbeesemetes.

Lisa kommentaar

Turvaküsimus: *