Fen Ve Teknoloji Dünyasından

BİR ÇEŞİT BEYİN iMALATI

Bilgisayar ve elektroniğin, insan hayatında neredeyse vazgeçilmez hale geldiği günümüzde birçoğumuz, bizi yönlendiren bu cihazları oluşturan ve adına çip denilen elemanların ne olduklarını belki hiç düşünmemiş, belki de şöyle uzaktan bir bakıp, bu anlaşılır bir şey değil deyip öğrenememe endişesi ile hiç ilgi duymamıştır. Dış görünüşü ile bir plastik paketçik ve yanlarından çıkan iğne gibi uçları ile çok basit bir görünüme sahip bu elemanlar icra ettikleri fonksiyonlarla hep kendi kendimize “Nasıl oluyor da yapabiliyor?” sorusunu sordurmuştur. Birçoğumuz bu elemanların beynin çalışmasına benzer bir çalışma şekli olduğunu da duymuşuzdur. Burada bilgisayar sistemlerinde kullanılan çiplerin mahiyetleri, ve nasıl üretildikleri le ilgili herkesin anlayabileceği seviyede bilgiler verilecektir. Sızıntı’nın 131. sayısında incelenen yarı iletken elementler çipleri oluşturan ana malzemedir. Günümüzde en yaygın şekli ile kullanılan yarı iletken, silisyum (Si) olmakla beraber gelişen teknoloji yeni ihtiyaçlara göre yeni malzeme arayışını da ihmal etmemektedir.

(GaAs,InP gibi...)

Dünden Bugüne

Transistör 1947’de laboratuar şartlarında üretildi ve seri üretimine geçildi. 1960’li yıllar çip teknolojisinin ve dijital* teknolojinin doğum ve gelişme yılları olarak ifade edilebilir. 1970’li yılların ilk yarısında ilk bilgisayar işlemci çipleri geliştirildi.

1960’lı ve 70’li yıllarda yapılan sandık büyüklüğündeki ve ayakkabı kutusu büyüklüğündeki radyo kıyaslamaları transistör teknolojisindeki gelişmeleri ifade ediyordu. Benzeri kıyaslamalar günümüzde bilgisayarların fiyatları ve işlem kapasiteleri bakımından yapılmaktadır ve bu kıyaslamanın sebebi çip teknolojisindeki gelişmelerdir. 1980’li yılların süper bilgisayarları bugünkü ticari olarak kullanılan bilgisayarlar yanında kaplumbağa hızında kalmaktadır. Fiyatları da ters orantılı olarak düşmüştür.

Bir Çip Nasıl Üretiliyor?

1. Saf silisyum kristal çekme işlemi ile kristalize edilir. Kristalize edilmiş silisyumun moleküller arası bağları düzgündür ve bu bağlar malzemenin her yerinde aynı özelliği gösterirler. Kristal çekme ile çapı 5-6 cm ile 10-12 cm arasında olabilen bir silindirik çubuk elde edilir.

2. Silisyum çubuk imal edilecek çipin özelliğine göre birkaç mikron ile birkaç milimetre aralıktaki bir kalınlıkta dilimlenir.

3. Her bir dilim, karmaşıklığına ve içinde yapılandırılacak transistör sayısına göre, üzerinde yüzlerce veya onlarca çip oluşturmaya hazırdır. Bu dilim uygun parçalara ayrılır. (Resim 1)

Bu işlemler malzeme bakımından hazırlıktır. Diğer bir çalışma ise filmlerin hazırlanması safhalarıdır. Burada en basit şekli ile bir transistörün yukarıda anlatılan üç adımın sonunda elde edilmiş tek bir parçacık üzerinde nasıl yapılandırıldığını açıklamaya çalışalım:

Transistör Nedir?

Transistörü elektronik cihazların temel malzemelerinden birisi olarak ifade edebiliriz. Özellikle dijital sistemlerde bu malzeme bir anahtar gibi çalışır; üzerinden elektrik akımı geçirir veya geçirmez. Şekil 1/a’da transistörün şematik gösterimi görülmektedir. I_B akımı varsa I_C akımı K noktasından E noktasına geçer, I_B yok ise K ile E arası açık anahtar gibi davranır. Bunu bir zil butonuna basılıp basılmadığı durum gibi düşünebiliriz (şekil l/b). Transistör bu çalışma şekli ile bir sinir hücresine benzetilebilir. Sinir hücreleri de bilindiği gibi elektrik sinyalleri iletmektedir.

Her çip genel bir ifade ile en azından onlarca transistörün tek bir silisyum parçası üzerinde uygun şekilde bağlanmış olarak oluşturulması ile üretilir. Ancak bu sayı bir bilgisayarın işlemci çipinde yüz milyonlarla ifade edilir.

Silisyum, elektronik malzemelerde saf olarak değil de katkı maddeleri ile bazı iletkenlik özellikleri kazandırılarak kullanılır.

Bu katkılandırma (131. sayımızda değinilen) elementlerin periyodik tablosundaki III. grup veya V. grup elementler ile yapılır. III. gruptan bir elementin difüze edildiği saf silisyum kristali p maddesi adını alır ve içindeki pozitif yüklerle iletkenlik sağlar, V. gruptan bir element ile katkılandırılan saf silisyum kristali ise n tipi madde adıyla bilinir ve içindeki negatif yüklerle iletkenlik sağlar. Transistörler imal edilirken npn veya pnp şeklinde bir yapılandırma gerçekleştirilir. Şekil 1/a’da K noktasında n, B noktasında p, E noktasında ise n maddesi vardır. Bir transistörün kesiti şekil 2’de görülmektedir.

Bir Transistörün imali

Bir fotolitografi işleminin safhaları Şekil 3’de görülmektedir. Burada insanoğlunun başarısı mikron ve mikron altı seviyelerde çizgileri fotorezistif madde üzerinde pozlayıp çok hassas aşındırma işlemlerini yapabilmesidir. Şimdi 3x3 cm alanda Şekil 3’de açıklanan proseslerle söz gelimi 150 milyon civarında, transistör gibi anahtarlama elemanlarını oluşturabilmenin hassasiyetini düşününüz. Kaldı ki çipler imal edilirken içinde transistör ile birlikte diyot, direnç, kapasite gibi diğer elektronik devre elemanları da aynı metotla yapılandırılır. Gerçekten takdire şayan bir başarı değil mi? Sözü edilen 3x3 cm alanda yüzmilyonlarca elemanlara sahip devre bilgisayarların beyni durumundaki mikroişlemci çipidir. Birim alanda yapılandırılan transistör adedi difüzyon, ince film ve aşındırma tekniklerindeki ilerlemelerle her geçen gün artmaktadır. Böylece çiplerin kabiliyetleri de artmakta özellikle bilgisayar alanında her yeni günde yeni bir süper bilgisayar tanıtılmaktadır. Bu durumu insan beyni ile benzeştirirsek birim alandaki beyin hücrelerinin diğer hücrelerle iletişim kabiliyeti ile birim alandaki transistör ve bu transistörün çalışma hızını düşünebiliriz.

İnsan beyninin fizyolojik çalışmasında elektrik sinyalleri taşıyan sinir hücrelerinin o sinyali bir anda ne kadar fazla sayıda sinir hücresine iletebilmesi beynin daha iyi çalıştığı anlamına gelmektedir. Sinyalin iletilebildiği sinir hücresi sayısı bugün bilindiği kadarıyla en fazla 2000’dir, bu durumdaki bir kişinin muhakeme kabiliyeti çok iyi durumdadır. Bu durum bilgisayar işlemci çiplerindeki transistörlere benzetildiğinde, transistörlerin açılıp kapanması (şekil 1) hızını düşünebiliriz. Çalışma tarzı çok farklı olmakla beraber en gelişmiş çipin bile beyin yanında ne kadar ilkel kaldığı ortadadır. Çip içindeki bir transistör bir anda bir defa açılıp kapanabilirken bir sinir hücresi bir anda bir sinyali ikibin sinire ulaştırabilmektedir.