Введение в интегральные схемы
Интегральная схема, также известная как IC или микрочип, является одним из величайших изобретений XXI века. Практически все электронные устройства, которые мы используем сегодня, содержат интегральные чипы. Так кто же является настоящим изобретателем IC?
Изобретатель интегральных схем
Обзор Джека Килби
- В 1923 году Килби родился в штате Миссури, США.
- В 1947 году Килби окончил Университет Иллинойса в Урбана-Шампейне.
- В 1958 году Килби присоединился к Texas Instruments Semiconductor Corporation.
- В 1958 году Килби изобрел первую в истории человечества интегральную схему.
- В 2000 году Килби был удостоен Нобелевской премии по физике за изобретение интегральной схемы.
- В 2005 году Килби умер от рака в Далласе, штат Техас, в возрасте 81 года.
Первый германиевый интегральный микросхема — 1958 год
Как упоминалось выше, Килби присоединился к Texas Instruments Semiconductor в 1958 году.
В то время Texas Instruments и Корпус связи США совместно работали над проектом под названием «Инициатива по микромодулям» (Micromodule). Цель этого проекта заключалась в унификации размера и формы электронных компонентов печатных плат, таких как транзисторы, резисторы и конденсаторы, с тем чтобы стандартизировать процесс соединения, уменьшить занимаемое пространство и снизить сложность и частоту ошибок при пайке.
Килби не считал идею проекта микромодулей целесообразной, поэтому он начал работать над более эффективным решением.
Сначала Килби придумал замену. В результате, после анализа затрат, было установлено, что стоимость слишком высока для массового производства. Таким образом, он оказался в исследовательском тупике.
В августе 1958 года ситуация изменилась к лучшему. Вдохновленный известным ученым Джеффри Даммером из Королевского института радиолокации, Килби обнаружил, что на одном чипе можно изготовить чрезвычайно маленькие микросхемы, состоящие из множества устройств. Другими словами, различные электронные устройства, такие как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, можно изготовить на кремниевых чипах и соединить тонкими проводами.
Эта удивительная идея очень воодушевила его. В тот день он подробно записал свои мысли в блокноте и даже разработал полный процесс создания схемы, написав целых пять страниц.
Сразу после праздников Килби сообщил о своей идее своему непосредственному руководителю Уиллису Адкоку (тогдашнему директору по разработкам Texas Instruments). Он предложил изготовить триггерную схему для проверки.
Первая реакция Уиллиса Адкока была такой, что план был немного громоздким и ненадежным. Однако, после долгих раздумий, он с неохотой согласился с предложением Килби.
Итак, Килби приступил к реализации своего плана. Изначально Килби планировал использовать «кремний» в качестве подложки для изготовления схем. В августе 1958 года он изготовил из кремния (Si) переходные транзисторы, резисторы и конденсаторы, но не было возможности их интегрировать. В сентябре 1958 года он изготовил интегральную схему из германия (Ge) размером всего 7/16 дюйма на 1/16 дюйма. Схема представляет собой однотранзисторный генератор с RC-обратной связью, и все это приклеено к стеклянному слайду и выглядит очень грубо. Компоненты схемы соединены между собой беспорядочными тонкими проводами.
На глазах у коллег Килби подключил десять вольт к входу и осциллограф к выходу. В момент подключения на осциллографе появилась колебательная волна с частотой 1,2 МГц и амплитудой 0,2 вольта.
Килби добился успеха и создал первую в мире интегральную схему, изготовленную из одного материала. Функция этого устройства очень проста — оно генерирует синусоидальную волну.
Интересно, что в первом чипе вместо кремния использовался германий. Сначала промышленность решила, что это просто не стоит того. Только американские военные заинтересовались этой концепцией. Сам он сказал: «В то время это было просто темой для разговоров на технических конференциях. Но, к счастью, американские военные поддержали эту идею».
6 февраля 1959 года Texas Instruments и Килби подали заявку на патент в Патентное ведомство США. В документе Килби описывает свое новое устройство как «полупроводниковый материал… в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы».
6 марта 1959 года Американское общество радиоинженеров (позже IEEE) провело свое ежегодное собрание в Нью-Йорке. Texas Instruments провела громкую пресс-конференцию в престижном отеле Waldorf Astoria, чтобы официально представить изобретение Килби.
Марк Шепард, тогдашний глава подразделения полупроводников Texas Instruments (впоследствии президент Texas Instruments), заявил на пресс-конференции: «Это самое важное изобретение с тех пор, как Texas Instruments объявила о своем выходе на рынок транзисторов».
Первый кремниевый интегральный микросхема - 1959
В то же время, когда Килби изобрел интегральную схему, другой человек также сделал прорыв в области интегральных схем. Этот человек — Роберт Нортон Нойс из Fairchild Semiconductor. Он также был одним из позднейших основателей Intel.
Этот процесс заключается в добавлении слоя оксида кремния к кремниевой подложке в качестве изолирующего слоя. Затем в этом слое изолирующего кремнезема пробиваются отверстия, и устройства, изготовленные по технологии диффузии кремния, соединяются с алюминиевой пленкой.
Рождение планарной технологии позволило Fairchild производить высокопроизводительные кремниевые транзисторы чрезвычайно малого размера и сделало возможным соединение устройств в интегральных схемах.
23 января 1959 года Нойс написал в своих рабочих заметках: «Изготовление различных устройств на одной кремниевой пластине и их соединение с помощью планарного процесса позволяет создавать многофункциональные электронные схемы». Эта технология позволяет уменьшить размер, вес и стоимость схем.
Нойс был шокирован тем, что Texas Instruments объявила об изобретении Килби. Нойс сожалел, что не действовал достаточно быстро. С другой стороны, он обнаружил, что изобретение Килби на самом деле имело серьезные недостатки.
Интегральные схемы Килби были соединены проводами, которые не могли быть произведены серийно и не имели практической ценности.
Идея Нойса заключалась в том, чтобы сделать отрицательные пластины из всех схем и отдельных компонентов электронного устройства, а затем выгравировать их на кремниевых пластинах. После вырезания кремниевой пластины все схемы можно было использовать непосредственно для сборки продукта. Кроме того, метод металлического испарительного осаждения мог заменить термическую сварку проволокой, полностью устранив необходимость в проводах.
30 июля 1959 года Нойс подал заявку на патент, основанный на его идее: «Полупроводниковые устройства — проволочная структура».
Коммерческое использование интегральных схем
В марте 1960 года компания Texas Instruments официально выпустила на рынок первый в мире коммерческий интегральный микросхема — кремниевый бистабильный мультирезонансный двоичный триггер 502, разработанный по проекту Джека Килби, по цене 450 долларов. Это первый коммерческий чип, разработанный TI. Внутренняя структура чипа показана на рисунке ниже:
На следующем рисунке представлена схематическая диаграмма этого устройства. Как видно, конструкция этого чипа очень проста и включает в себя два транзистора, четыре диода, шесть резисторов и два конденсатора.
В 1961 году компания Fairchild Semiconductor выпустила первую коммерческую интегральную схему. С тех пор во всех компьютерах, особенно в материнских платах, используются интегральные микросхемы вместо дискретных транзисторных схем.
После появления интегральных схем они сначала использовались в военной сфере (это был самый напряженный период холодной войны). В 1961 году ВВС США впервые использовали интегральные схемы, изготовленные из кремниевых пластин, а в 1962 году они были установлены в межконтинентальной баллистической ракете Zouave.
Успех военных применений привел к расширению гражданского рынка. В 1964 году компания Zenith использовала интегральные схемы в слуховых аппаратах, что стало первым случаем использования интегральных схем в гражданской сфере. С тех пор стоимость интегральных схем постепенно снижалась, процесс непрерывно совершенствовался, и они постепенно стали приниматься в промышленности.
В 1967 году команда Килби успешно завершила разработку нового миниатюрного калькулятора, первого в мире электронного карманного калькулятора Pocketronic.
В 1970 году Intel представила первую в мире интегральную схему DRAM (динамическая оперативная память) 1103.
В 1971 году Intel представила первый в мире программируемый вычислительный чип, включающий вычислительный блок и контроллер — Intel 4004. С 2300 транзисторами Intel 4004 стал первым в мире микропроцессором. Его появление положило начало эре микрокомпьютеров.
Патентный спор между Килби и Нойсом
Честно говоря, изобретение Нойса ближе к интегральной схеме в современном понимании. Конструкция Нойса основана на плоском процессе на кремниевой подложке, а конструкция Килби — на процессе диффузии на германиевой подложке. Опираясь на преимущества кремниевой технологии Fairchild, схема Нойса действительно более совершенна, чем схема Килби.
Однако гибридные интегральные схемы Килби уже обладали характеристиками интегральных схем и были использованы раньше.
В результате компания Texas Instruments Килби и Fairchild Semiconductor Нойса развязали ожесточенную патентную войну.
По поводу судебного процесса Килби сказал: «Никто не заподозрит, что я был первым, кто создал интегральные схемы. Доктор Нойс был первым, кто сделал то, что я хотел сделать — использовал испаренный металл для создания проводов между устройствами. Подход доктора Нойса сильно отличается от того, что делал я. Он сказал, что сочувствует мне как соавтору изобретения, но я так не считаю.
Федеральный суд США присуждает изобретателю ICs
В 1966 году суд окончательно признал Килби изобретателем интегральных схем (гибридных интегральных схем), а права на изобретение технологии упаковки и производства интегральных схем, которая сегодня широко используется, были предоставлены Нойсу.
Килби известен как «изобретатель первой интегральной схемы», а Нойс — как тот, кто «придумал теорию интегральных схем, пригодных для промышленного производства».
В том же году компании Texas Instruments и Fairchild заключили соглашение о взаимном лицензировании для совместного использования патентов на интегральные схемы.
В 1969 году федеральный суд США постановил, что патенты на интегральные схемы, заявленные двумя компаниями, являются параллельными независимыми изобретениями.
В общей сложности Джек Килби подал более шестидесяти патентов на изобретения. В 1970 году он был награжден Американской медалью науки.
Роберт Нойс, изобретения которого защищены более чем 16 патентами, основал компанию Intel Semiconductor, которая позже выпустила первый микропроцессор.
