Introducción a los circuitos integrados
El circuito integrado, también conocido como IC o microchip, es uno de los grandes inventos del siglo XXI. Casi todos los productos electrónicos que utilizamos hoy en día contienen chips integrados. Entonces, ¿sabes quién es el verdadero inventor del IC?
El inventor de los circuitos integrados
Resumen sobre Jack Kilby
- En 1923, Kilby nació en en Misuri, Estados Unidos.
- En 1947, Kilby se graduó en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
- En 1958, Kilby se incorporó a Texas Instruments Semiconductor Corporation.
- En 1958, Kilby inventó el primer circuito integrado de la historia de la humanidad.
- En 2000, Kilby recibió el Premio Nobel de Física por la invención del circuito integrado.
- En 2005, Kilby falleció de cáncer en Dallas, Texas, a la edad de 81 años.
El primer circuito integrado de germanio - 1958
Como se mencionó anteriormente, Kilby se incorporó a Texas Instruments Semiconductor en 1958.
En ese momento, Texas Instruments y el Cuerpo de Comunicaciones de los Estados Unidos estaban trabajando juntos en un proyecto llamado Micromodule Initiative (Micromodule). El objetivo de investigación de este proyecto era unificar el tamaño y la forma de los componentes electrónicos de los PCB, como transistores, resistencias y condensadores, con el fin de estandarizar el proceso de interconexión, reducir el espacio de los circuitos y disminuir la dificultad y la tasa de error de la soldadura.
Kilby no creía que la idea del proyecto Micromodule tuviera sentido, por lo que comenzó a trabajar en una solución mejor.
Al principio, Kilby ideó un sustituto. Sin embargo, tras un análisis de costes, se descubrió que el coste era demasiado elevado para producirlo en masa. Así que se encontró en un dilema de investigación.
En agosto de 1958, la situación dio un giro positivo. Inspirado por el renombrado científico Geoffrey Dummer, del Royal Radar Institute, Kilby descubrió que se podían fabricar microcircuitos extremadamente pequeños, compuestos por muchos dispositivos, en un solo chip. En otras palabras, se podían fabricar diferentes dispositivos electrónicos, como resistencias, condensadores, diodos y transistores, en chips de silicio y conectarlos con cables finos.
Esta increíble idea le emocionó mucho. Ese día, anotó sus pensamientos con detalle en su cuaderno e incluso concibió un proceso de circuito completo, escribiendo cinco páginas completas.
Inmediatamente después de las vacaciones, Kilby comunicó su idea a su superior directo, Willis Adcock (entonces director de desarrollo de Texas Instruments). Propuso que podía fabricar un circuito de activación para su verificación.
La primera reacción de Willis Adcock fue que el plan era un poco engorroso y poco fiable. Sin embargo, tras mucho deliberar, aceptó a regañadientes la sugerencia de Kilby.
Así que Kilby comenzó a poner en práctica su plan. Inicialmente, Kilby planeó utilizar «silicio» como sustrato para fabricar circuitos. En agosto de 1958, fabricó transistores de unión, resistencias y condensadores a partir de silicio (Si), pero no había forma de integrarlos. En septiembre de 1958, pasó a fabricar un circuito integrado con germanio (Ge) que solo medía 7/16 pulgadas por 1/16 pulgadas. El circuito es un oscilador de transistor único con retroalimentación RC, y todo el conjunto está pegado a un portaobjetos de vidrio y tiene un aspecto muy tosco. Los componentes del circuito están conectados por cables finos y desordenados.
Ante la mirada de sus colegas, Kilby conectó diez voltios a la entrada y el osciloscopio a la salida. En el momento posterior a la conexión, apareció en el osciloscopio una forma de onda oscilante con una frecuencia de 1,2 MHz y una amplitud de 0,2 voltios.
Kilby tuvo éxito y creó el primer circuito integrado del mundo fabricado con un solo material. La función de este dispositivo es muy simple: generar una onda sinusoidal.
Curiosamente, el primer chip utilizaba germanio en lugar de silicio. Al principio, la industria decidió que simplemente no valía la pena. Solo el ejército estadounidense estaba interesado en este concepto. Él mismo dijo: «En aquel momento, solo era un tema de entretenimiento en las conferencias tecnológicas. Pero, afortunadamente, el ejército estadounidense lo apoyó».
El 6 de febrero de 1959, Texas Instruments y Kilby presentaron una solicitud de patente ante la Oficina de Patentes de Estados Unidos. En el documento, Kilby describe su nuevo dispositivo como «un material semiconductor… en el que todos los componentes del circuito electrónico están totalmente integrados».
El 6 de marzo de 1959, la Sociedad Americana de Ingenieros de Radio (más tarde IEEE) celebró su reunión anual en Nueva York. Texas Instruments celebró una rueda de prensa de alto nivel en el prestigioso hotel Waldorf Astoria para presentar oficialmente el invento de Kilby.
Mark Shepherd, entonces director de la división de semiconductores de Texas Instruments (más tarde presidente de Texas Instruments), dijo en una rueda de prensa: «Este es el invento más importante desde que Texas Instruments anunció su entrada en el mercado de los transistores».
El primer circuito integrado de silicio - 1959
Al mismo tiempo que Kilby inventó el circuito integrado, otro hombre también logró un gran avance en el campo de los circuitos integrados. Se trata de Robert Norton Noyce, de Fairchild Semiconductor. También fue uno de los fundadores posteriores de Intel.
Este proceso consiste en añadir una capa de óxido de silicio a la oblea de silicio como capa aislante. A continuación, se perforan agujeros en esta capa de sílice aislante y se conectan dispositivos fabricados con tecnología de difusión de silicio a la película de aluminio.
El nacimiento de la tecnología planar permitió a Fairchild fabricar transistores de silicio de alto rendimiento y tamaño extremadamente pequeño, y hizo posible conectar dispositivos en circuitos integrados.
El 23 de enero de 1959, Noyce escribió en sus notas de trabajo: «Fabricar varios dispositivos en la misma oblea de silicio y unirlos mediante un proceso planar puede producir circuitos electrónicos multifuncionales». Esta tecnología puede reducir el tamaño, el peso y el coste de los circuitos.
Noyce se sorprendió cuando Texas Instruments anunció el invento de Kilby. Noyce lamentó no haber actuado con la suficiente rapidez. Por otro lado, descubrió que el invento de Kilby tenía en realidad graves defectos.
Los circuitos integrados de Kilby estaban conectados por cables voladores, lo que impedía su producción en masa y les restaba valor práctico.
La idea de Noyce es fabricar placas negativas a partir de todos los circuitos y componentes individuales de un dispositivo electrónico y, a continuación, grabarlas en obleas de silicio. Una vez tallada la oblea de silicio, se obtiene todo el circuito que se puede utilizar directamente para montar el producto. Además, el método de deposición por evaporación de metal puede sustituir al alambre de soldadura térmica, eliminando por completo el alambre volador.
El 30 de julio de 1959, Noyce solicitó una patente basada en su idea: «Dispositivos semiconductores: estructura de cables».
Uso comercial de circuitos integrados
En marzo de 1960, Texas Instruments lanzó oficialmente el primer producto comercial de circuito integrado del mundo, el flip-flop binario multirresonante biestable de silicio 502, basado en el diseño de Jack Kilby, con un precio de venta de 450 dólares. Este es el primer chip comercial desarrollado por TI. La estructura interna del chip se muestra en la siguiente figura:
La siguiente figura es un diagrama esquemático de esto. Se puede observar que la estructura de este chip es muy simple, incluyendo dos transistores, cuatro diodos, seis resistencias y dos condensadores.
En 1961, Fairchild Semiconductor lanzó al mercado el primer circuito integrado comercial. Desde entonces, todos los ordenadores, en particular las placas base, han utilizado chips integrados en lugar de circuitos de transistores discretos.
Tras su aparición, los circuitos integrados se utilizaron por primera vez en el ámbito militar (en el momento más delicado de la Guerra Fría). En 1961, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos utilizó por primera vez circuitos integrados fabricados con obleas de silicio y, en 1962, se instalaron en el misil balístico intercontinental Zouave.
El éxito de las aplicaciones militares ha llevado a la expansión del mercado civil. En 1964, Zenith utilizó circuitos integrados en audífonos, lo que supuso la primera vez que se utilizaban circuitos integrados en el ámbito civil. Desde entonces, el coste de los circuitos integrados ha disminuido gradualmente, el proceso se ha mejorado continuamente y la industria los ha ido aceptando poco a poco.
En 1967, el equipo de Kilby completó con éxito el desarrollo de una nueva calculadora en miniatura, la primera calculadora electrónica portátil del mundo, la Pocketronic.
En 1970, Intel presentó el primer circuito integrado DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio) del mundo, el 1103.
En 1971, Intel presentó el primer chip informático programable del mundo que incluía una unidad de cálculo y un controlador: el Intel 4004. Con 2300 transistores, el Intel 4004 fue el primer microprocesador del mundo. Su nacimiento marcó el inicio de la era de los microordenadores.
Disputa sobre la patente entre Kilby y Noyce
Para ser sinceros, el invento de Noyce se acerca más al circuito integrado en el sentido moderno. El diseño de Neuss se basa en un proceso planar con sustrato de silicio, mientras que el de Kilby se basa en un proceso de difusión con sustrato de germanio. Gracias a las ventajas de la tecnología de silicio de Fairchild, el circuito de Neuss es, sin duda, más avanzado que el de Kilby.
Sin embargo, los circuitos integrados híbridos de Kilby ya tenían las características de los circuitos integrados y se utilizaron antes.
Como resultado, Texas Instruments, de Kilby, y Fairchild Semiconductor, de Noyce, iniciaron una feroz guerra de patentes.
Sobre el juicio, Kilby dijo: «Nadie sospecharía que yo fui el primero en fabricar circuitos integrados. El Dr. Noyce fue el primero en hacer lo que yo quería hacer: utilizar metal evaporado para fabricar cables entre dispositivos. El enfoque del Dr. Noyce es muy diferente al mío. Dijo que simpatizaba conmigo como coinventor, pero yo no lo creía así».
El Tribunal Federal de los Estados Unidos concede una indemnización al inventor de los circuitos integrados.
En 1966, el tribunal finalmente otorgó a Kilby la invención de los circuitos integrados (circuitos integrados híbridos), junto con los derechos de invención del proceso de fabricación y empaquetado de circuitos integrados que hoy en día es tan popular, concedidos a Noyce.
Kilby es conocido como «el inventor del primer circuito integrado», mientras que Noyce fue quien «ideó la teoría de los circuitos integrados aptos para la producción industrial».
Ese mismo año, Texas Instruments y Fairchild firmaron un acuerdo de licencia cruzada para compartir las patentes de circuitos integrados.
En 1969, un tribunal federal de los Estados Unidos dictaminó que las patentes de circuitos integrados solicitadas por ambos eran invenciones independientes paralelas.
En total, Jack Kilby ha solicitado más de sesenta patentes de invención. En 1970 fue galardonado con la Medalla de la Ciencia de Estados Unidos.
Robert Noyce, cuya invención cuenta con más de 16 patentes, fundó Intel Semiconductor, que más tarde fabricó el primer microprocesador.
