Halfgeleiders

 

Geschiedenis van de halfgeleiders

  

De geschiedenis van halfgeleiders is een verhaal van technologische innovatie en vooruitgang dat een belangrijke rol heeft gespeeld bij het vormgeven van onze moderne wereld. Halfgeleiders, dat zijn materialen die onder bepaalde omstandigheden elektriciteit kunnen geleiden, hebben een revolutie teweeggebracht in de elektronica en hebben een diepgaande invloed gehad op vrijwel elk aspect van ons leven.

De eerste halfgeleiders werden eind 19e eeuw ontdekt, maar pas bij de ontwikkeling van de transistor in 1947 begon men zich het werkelijke potentieel van deze materialen te realiseren. De transistor, die in Bell Labs werd uitgevonden door William Shockley, Walter Brattain en John Bardeen, betekende een belangrijke doorbraak op het gebied van de elektronica, omdat hiermee elektrische signalen konden worden versterkt en geschakeld. Vóór de uitvinding van de transistor maakten elektronische apparaten zoals radio's en televisies gebruik van vacuümbuizen, die omvangrijk waren, veel stroom verbruikten en gemakkelijk kapot gingen. De transistor was kleiner, betrouwbaarder en verbruikte minder stroom, waardoor het mogelijk werd compactere en draagbare elektronische apparaten te maken.

De uitvinding van de transistor werd snel gevolgd door de ontwikkeling van de geïntegreerde schakeling (IC) in 1958 door Robert Noyce en Jack Kilby. Een IC is een klein stukje halfgeleidermateriaal, meestal niet groter dan een paar vierkante millimeter, waarop meerdere transistors en andere elektronische componenten zijn geëtst of afgezet. IC's maakten de integratie van honderden of duizenden transistors en andere componenten op een enkele chip mogelijk, waardoor de omvang en de kosten van elektronische apparaten aanzienlijk werden verminderd. De eerste IC's werden voornamelijk gebruikt in militaire en ruimtevaarttoepassingen, maar naarmate de technologie verbeterde en de kosten daalden, vonden IC's hun weg naar een grote verscheidenheid aan consumentenproducten, waaronder televisies, rekenmachines en computers.

In de decennia na de uitvinding van de IC bleef de halfgeleidertechnologie evolueren en vooruitgaan, waarbij nieuwe materialen en productietechnieken werden ontwikkeld. Een van de meest opmerkelijke ontwikkelingen was de ontwikkeling van de metaaloxide-semiconductortechnologie (MOS) in de jaren zestig, die de weg vrijmaakte voor de ontwikkeling van MOS-transistoren, die kleiner zijn en minder stroom verbruiken dan bipolaire transistoren. Dit maakte de weg vrij voor de ontwikkeling van kleinere en efficiëntere elektronische apparaten.

De uitvinding van de MOS IC leidde ook tot het ontstaan van de microprocessor, een computerprocessor op een microchip. De eerste microprocessor was de Intel 4004, die in 1971 werd uitgebracht. De microprocessor leidde tot het ontstaan van de personal computer, die de kracht van de computer in de handen van particulieren legde.

De laatste jaren is de halfgeleidertechnologie zich blijven ontwikkelen, met vooruitgang op gebieden als nanotechnologie en 3D-chipstapeling, waardoor kleinere, snellere en efficiëntere elektronische apparaten konden worden gemaakt. Tegenwoordig zijn halfgeleiders een integraal onderdeel van vrijwel elk aspect van ons leven, van smartphones en laptops tot auto's, apparaten en medische apparatuur.

Kortom, de geschiedenis van halfgeleiders is een verhaal van technologische innovatie en vooruitgang dat een belangrijke rol heeft gespeeld bij het vormgeven van onze moderne wereld. Vanaf de ontdekking van de eerste halfgeleiders tot de ontwikkeling van de transistor, IC, MOS-technologie en microprocessoren, hebben halfgeleiders een revolutie teweeggebracht in de elektronica en een diepgaande invloed gehad op vrijwel elk aspect van ons leven. Vandaag staan halfgeleiders nog steeds aan de spits van de technologische vooruitgang en maken ze de creatie van kleinere, snellere en efficiëntere elektronische apparaten mogelijk.

 

Nu in het heden en de toekomst:

Nanotechnologie is de manipulatie en engineering van materialen op zeer kleine schaal, meestal op de schaal van individuele atomen en moleculen. In de elektronica wordt nanotechnologie gebruikt om nieuwe soorten elektronische apparaten te maken en bestaande te verbeteren.

Een van de meest veelbelovende gebieden van de nanotechnologie in de elektronica is de ontwikkeling van nieuwe soorten transistors. Transistors zijn de basisbouwstenen van elektronische apparaten zoals computers en smartphones, en ze worden gebruikt om elektronische signalen te versterken of te schakelen. De ontwikkeling van transistoren op basis van materialen op nanoschaal, zoals koolstofnanobuisjes en grafeen, kan de snelheid en efficiëntie van elektronische apparaten aanzienlijk verhogen.

Een ander onderzoeksgebied van de nanotechnologie in de elektronica is de ontwikkeling van nieuwe soorten geheugen.

Conventionele geheugenapparaten, zoals dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (DRAM) en flash-geheugen, zijn gebaseerd op halfgeleidermaterialen en hebben de grenzen van hun schaalbaarheid bereikt. Onderzoekers onderzoeken het gebruik van nieuwe materialen op nanoschaal, zoals materialen met faseverandering en resistief willekeurig toegankelijk geheugen (RRAM), om nieuwe soorten geheugen met hogere dichtheden en hogere snelheden te creëren.

Nanotechnologie wordt ook gebruikt om de prestaties van zonnecellen te verbeteren, door een efficiënter gebruik van de energie in het licht mogelijk te maken, de energieomzetting te verbeteren en de kosten te verlagen.

Daarnaast onderzoeken onderzoekers het gebruik van nanotechnologie om nieuwe soorten sensoren te creëren, zoals biosensoren, die een breed scala van biomoleculen kunnen detecteren, waaronder eiwitten, DNA en kleine moleculen, en gassensoren, die specifieke gassen bij zeer lage concentraties kunnen detecteren.

Ten slotte omvat de ontwikkeling van nanotechnologie in de elektronica ook het creëren van nieuwe soorten interconnecties, dat zijn de verbindingen tussen de verschillende onderdelen van een elektronisch apparaat, zoals transistors, geheugen en sensoren. Onderzoekers onderzoeken het gebruik van nieuwe materialen, zoals koolstofnanobuisjes en grafeen, om snellere en efficiëntere interconnecties te creëren.

In het algemeen is de nanotechnologie in de elektronica een snel groeiend onderzoeksgebied met veel potentiële toepassingen die een grote invloed kunnen hebben op de manier waarop wij in de toekomst leven en werken.

De toekomst van elektronische componenten zal waarschijnlijk worden bepaald door een aantal trends, waaronder miniaturisering, verhoogde functionaliteit en grotere energie-efficiëntie.

Miniaturisering zal een belangrijke drijvende kracht blijven in de elektronische componentenindustrie, aangezien apparaten steeds kleiner en draagbaarder worden. Dit vereist de ontwikkeling van nieuwe materialen en fabricageprocessen om kleinere, dichter opeengepakte componenten te maken die nog steeds betrouwbaar functioneren.

Ook de functionaliteit zal blijven toenemen naarmate de elektronische componenten intelligenter worden en met elkaar in verbinding staan. Dit zal de ontwikkeling van nieuwe soorten apparaten en toepassingen mogelijk maken, zoals het Internet of Things (IoT), dat op zijn beurt de vraag naar meer geavanceerde componenten zal stimuleren.

Energie-efficiëntie zal ook een belangrijk aandachtspunt zijn, aangezien de wereld zich steeds meer zorgen maakt over het verminderen van zijn koolstofvoetafdruk. Dit vereist de ontwikkeling van nieuwe technologieën, zoals energiezuinige sensoren en processoren, om de hoeveelheid energie die nodig is voor de werking van elektronische apparaten te verminderen.

Bovendien zal er meer vooruitgang worden geboekt in de materialen en technieken die worden gebruikt om elektronische componenten te maken, zoals het gebruik van nieuwe halfgeleidende materialen zoals silicium-germanium, grafeen en andere tweedimensionale materialen. De vooruitgang in AI-gerelateerde technologie, 5G-netwerken en IoT zal ook een belangrijke drijvende kracht zijn voor de toekomst van elektronische componenten.

Over het geheel genomen zal de sector elektronische componenten zich de komende jaren waarschijnlijk snel blijven ontwikkelen en veranderen onder invloed van nieuwe technologieën en veranderende eisen van de consument.

Chris de professor