Einführung in integrierte Schaltungen
Der integrierte Schaltkreis, auch bekannt als IC oder Mikrochip, ist eine der großartigen Erfindungen des 21. Jahrhunderts. Fast alle elektronischen Produkte, die wir heute verwenden, enthalten integrierte Chips. Wissen Sie, wer der eigentliche Erfinder des IC ist?
Der Erfinder der integrierten Schaltkreise
Überblick über Jack Kilby
- 1923 wurde Kilby in Missouri, USA, geboren.
- 1947 schloss Kilby sein Studium an der University of Illinois in Urbana-Champaign ab.
- 1958 trat Kilby in die Texas Instruments Semiconductor Corporation ein.
- Im Jahr 1958 erfand Kilby den ersten integrierten Schaltkreis der Menschheitsgeschichte.
- Im Jahr 2000 wurde Kilby für die Erfindung der integrierten Schaltung mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
- 2005 starb Kilby im Alter von 81 Jahren in Dallas, Texas, an Krebs.
Der erste Germanium-IC – 1958
Wie oben erwähnt, trat Kilby 1958 bei Texas Instruments Semiconductor ein.
Zu dieser Zeit arbeiteten Texas Instruments und das US-amerikanische Communications Corps gemeinsam an einem Projekt namens Micromodule Initiative (Micromodule). Das Forschungsziel dieses Projekts bestand darin, die Größe und Form von elektronischen Bauteilen für Leiterplatten wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren zu vereinheitlichen, um den Verbindungsprozess zu standardisieren, den Platzbedarf für Schaltungen zu reduzieren und die Schwierigkeit und Fehlerquote beim Löten zu verringern.
Kilby hielt die Idee eines Mikromodul-Projekts für nicht sinnvoll und begann daher, an einer besseren Lösung zu arbeiten.
Zunächst entwickelte Kilby einen Ersatz. Nach einer Kostenanalyse stellte sich jedoch heraus, dass die Kosten für eine Massenproduktion zu hoch waren. Damit befand er sich in einem Forschungsdilemma.
Im August 1958 wendete sich das Blatt zum Besseren. Inspiriert durch den renommierten Wissenschaftler Geoffrey Dummer vom Royal Radar Institute entdeckte Kilby, dass extrem kleine Mikroschaltungen, die aus vielen Bauelementen bestehen, auf einem einzigen Chip hergestellt werden können. Mit anderen Worten: Verschiedene elektronische Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden und Transistoren können auf Siliziumchips hergestellt und mit dünnen Drähten verbunden werden.
Diese erstaunliche Idee begeisterte ihn sehr. An diesem Tag hielt er seine Gedanken detailliert in seinem Notizbuch fest und entwarf sogar einen kompletten Schaltungsprozess, den er auf fünf Seiten niederschrieb.
Unmittelbar nach den Feiertagen berichtete Kilby seinem direkten Vorgesetzten Willis Adcock (damals Direktor der Entwicklungsabteilung von Texas Instruments) von seiner Idee. Er schlug vor, eine Triggerschaltung zur Überprüfung herzustellen.
Willis Adcocks erste Reaktion war, dass der Plan etwas umständlich und unzuverlässig sei. Nach reiflicher Überlegung stimmte er Kilbys Vorschlag jedoch widerwillig zu.
Also begann Kilby mit der Umsetzung seines Plans. Ursprünglich hatte Kilby vor, „Silizium” als Substrat für die Herstellung von Schaltungen zu verwenden. Im August 1958 stellte er aus Silizium (Si) Sperrschichttransistoren, Widerstände und Kondensatoren her, aber es gab keine Möglichkeit, diese zu integrieren. Im September 1958 stellte er dann eine integrierte Schaltung aus Germanium (Ge) her, die nur 7/16 Zoll mal 1/16 Zoll groß war. Die Schaltung ist ein Einzeltransistor-Oszillator mit RC-Rückkopplung, und das Ganze ist auf einen Glasobjektträger geklebt und sieht sehr grob aus. Die Komponenten der Schaltung sind durch unordentliche dünne Drähte miteinander verbunden.
Im Beisein seiner Kollegen schloss Kilby zehn Volt an den Eingang und das Oszilloskop an den Ausgang an. Unmittelbar nach dem Anschließen erschien auf dem Oszilloskop eine oszillierende Wellenform mit einer Frequenz von 1,2 MHz und einer Amplitude von 0,2 Volt.
Kilby war erfolgreich und schuf den weltweit ersten integrierten Schaltkreis aus einem einzigen Material. Die Funktion dieses Geräts ist sehr einfach: Es erzeugt eine Sinuswelle.
Interessanterweise wurde für den ersten Chip Germanium anstelle von Silizium verwendet. Zunächst entschied die Industrie, dass sich dies einfach nicht lohne. Nur das US-Militär zeigte Interesse an diesem Konzept. Er selbst sagte: „Damals war es nur ein Thema zur Unterhaltung auf Technologiekonferenzen. Aber glücklicherweise unterstützte das US-Militär es.
Am 6. Februar 1959 reichten Texas Instruments und Kilby eine Patentanmeldung beim US-Patentamt ein. In dem Dokument beschreibt Kilby sein neues Gerät als „ein Halbleitermaterial, in dem alle Komponenten der elektronischen Schaltung vollständig integriert sind”.
Am 6. März 1959 hielt die American Society of Radio Engineers (später IEEE) ihre Jahresversammlung in New York ab. Texas Instruments hielt eine hochkarätige Pressekonferenz im renommierten Waldorf Astoria Hotel ab, um Kilbys Erfindung offiziell vorzustellen.
Mark Shepherd, damals Leiter der Halbleitersparte von Texas Instruments (später Präsident von Texas Instruments), sagte auf einer Pressekonferenz: „Dies ist die wichtigste Erfindung seit Texas Instruments seinen Einstieg in den Transistormarkt bekannt gegeben hat.
Der erste Silizium-IC – 1959
Zur gleichen Zeit, als Kilby den integrierten Schaltkreis erfand, gelang auch einem anderen Mann ein Durchbruch auf dem Gebiet der ICs. Diese Person ist Robert Norton Noyce von Fairchild Semiconductor. Er war auch einer der späteren Gründer von Intel.
Bei diesem Verfahren wird eine Schicht aus Siliziumoxid als Isolierschicht auf den Siliziumwafer aufgebracht. Anschließend werden Löcher in diese Isolierschicht aus Siliziumoxid gestanzt und Bauteile aus Siliziumdiffusionstechnologie mit der Aluminiumfolie verbunden.
Die Entstehung der Planartechnologie ermöglichte es Fairchild, hochleistungsfähige Siliziumtransistoren von extrem kleiner Größe herzustellen und Bauelemente in integrierten Schaltkreisen zu verbinden.
Am 23. Januar 1959 schrieb Noyce in seinen Arbeitsnotizen: „Durch die Herstellung verschiedener Bauelemente auf demselben Siliziumwafer und deren Verbindung mittels eines planaren Verfahrens lassen sich multifunktionale elektronische Schaltungen herstellen.“ Diese Technologie kann die Größe, das Gewicht und die Kosten von Schaltungen reduzieren.
Noyce war schockiert, als Texas Instruments Kilbys Erfindung bekannt gab. Noyce bedauerte, dass er nicht schnell genug gehandelt hatte. Andererseits stellte er fest, dass Kilbys Erfindung tatsächlich erhebliche Mängel aufwies.
Kilbys integrierte Schaltkreise waren durch fliegende Drähte verbunden, die sich überhaupt nicht in Massenproduktion herstellen ließen und keinen praktischen Wert hatten.
Noyces Idee besteht darin, aus allen Schaltungen und einzelnen Komponenten eines elektronischen Geräts Negativplatten herzustellen und diese dann auf Siliziumwafer zu gravieren. Sobald der Siliziumwafer herausgeschnitten ist, handelt es sich um die gesamte Schaltung, die direkt zum Zusammenbau des Produkts verwendet werden kann. Darüber hinaus kann das Verfahren der Metallverdampfung das thermische Schweißdrahtverfahren ersetzen, wodurch fliegende Drähte vollständig entfallen.
Am 30. Juli 1959 meldete Noyce ein Patent auf der Grundlage seiner Idee an: „Halbleiterbauelemente – Drahtstruktur”.
Kommerzielle Nutzung von ICs
Im März 1960 brachte Texas Instruments offiziell das weltweit erste kommerzielle Produkt mit integrierter Schaltung auf den Markt, den 502 Silizium-Bistabil-Multiresonanz-Binär-Flipflop, der auf dem Entwurf von Jack Kilby basierte und einen Verkaufspreis von 450 US-Dollar hatte. Dies ist der erste kommerzielle Chip, der von TI entwickelt wurde. Die interne Struktur des Chips ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Die folgende Abbildung zeigt ein schematisches Diagramm davon. Es ist ersichtlich, dass die Struktur dieses Chips sehr einfach ist und zwei Transistoren, vier Dioden, sechs Widerstände und zwei Kondensatoren umfasst.
1961 brachte Fairchild Semiconductor den ersten kommerziellen integrierten Schaltkreis auf den Markt. Seitdem verwenden alle Computer, insbesondere Computer-Motherboards, integrierte Chips anstelle von diskreten Transistorschaltungen.
Nach ihrer Einführung wurden integrierte Schaltkreise zunächst im militärischen Bereich eingesetzt (dies war die sensibelste Phase des Kalten Krieges). 1961 verwendete die US-Luftwaffe erstmals integrierte Schaltkreise aus Siliziumwafern, und 1962 wurden sie in die Zouave-ICBM eingebaut.
Der Erfolg militärischer Anwendungen führte zur Expansion des zivilen Marktes. 1964 verwendete Zenith integrierte Schaltkreise in Hörgeräten, was die erste Verwendung integrierter Schaltkreise im zivilen Bereich darstellte. Seitdem sind die Kosten für integrierte Schaltkreise allmählich gesunken, der Prozess wurde kontinuierlich verbessert und sie wurden nach und nach von der Industrie akzeptiert.
1967 schloss Kilbys Team erfolgreich die Entwicklung eines neuen Miniaturrechners ab, dem weltweit ersten elektronischen Taschenrechner, dem Pocketronic.
Im Jahr 1970 stellte Intel den weltweit ersten integrierten Schaltkreis 1103 mit DRAM (Dynamic Random Access Memory) vor.
1971 stellte Intel den weltweit ersten programmierbaren Computerchip vor, der eine Recheneinheit und einen Controller enthielt – den Intel 4004. Mit 2300 Transistoren war der Intel 4004 der weltweit erste Mikroprozessor. Seine Einführung läutete das Zeitalter der Mikrocomputer ein.
Patentstreit zwischen Kilby und Noyce
Um ehrlich zu sein, ist Noyces Erfindung näher an der integrierten Schaltung im modernen Sinne. Neuss' Entwurf basiert auf einem planaren Siliziumsubstratprozess, während Kilbys Entwurf auf einem Germaniumsubstrat-Diffusionsprozess basiert. Dank der Vorteile der Siliziumtechnologie von Fairchild ist Neuss' Schaltung tatsächlich fortschrittlicher als die von Kilby.
Allerdings weisen Kilbys hybride integrierte Schaltkreise bereits die Eigenschaften integrierter Schaltkreise auf und wurden früher eingesetzt.
Infolgedessen kam es zu einem erbitterten Patentstreit zwischen Kilbys Texas Instruments und Noyces Fairchild Semiconductor.
Zu dem Rechtsstreit sagte Kilby: „Niemand würde vermuten, dass ich der Erste war, der integrierte Schaltkreise hergestellt hat. Dr. Noyce war der Erste, der das tat, was ich tun wollte – verdampftes Metall verwenden, um Verbindungen zwischen Bauteilen herzustellen. Dr. Noyces Ansatz unterscheidet sich sehr von meinem. Er sagte, er sympathisiere mit mir als Miterfinder, aber ich sah das nicht so.
US-Bundesgericht spricht dem Erfinder der ICs Schadenersatz zu
Im Jahr 1966 sprach das Gericht Kilby schließlich die Erfindung der integrierten Schaltkreise (hybride integrierte Schaltkreise) zu, während die Erfindungsrechte für das heute weit verbreitete Verfahren zur Verpackung und Herstellung integrierter Schaltkreise Noyce zugesprochen wurden.
Kilby ist als „Erfinder des ersten integrierten Schaltkreises” bekannt, während Noyce derjenige war, der „die Theorie der für die industrielle Produktion geeigneten integrierten Schaltkreise entwickelt hat”.
Im selben Jahr schlossen Texas Instruments und Fairchild eine Kreuzlizenzvereinbarung zum Austausch von Patenten für integrierte Schaltkreise.
1969 entschied ein US-Bundesgericht, dass die von den beiden beantragten Patente für integrierte Schaltkreise parallele unabhängige Erfindungen waren.
Insgesamt hat Jack Kilby mehr als sechzig Erfindungspatente angemeldet. 1970 wurde ihm die American Medal of Science verliehen.
Robert Noyce, dessen Erfindung mehr als 16 Patente umfasst, gründete Intel Semiconductor, das später den ersten Mikroprozessor herstellte.
