Introduzione ai circuiti integrati
Il circuito integrato, noto anche come IC o microchip, è una delle più grandi invenzioni del 21° secolo. Quasi tutti i prodotti elettronici che usiamo ora contengono chip integrati. Quindi, sapete chi è il vero inventore dell’IC?
L'inventore dei circuiti integrati
Panoramica di Jack Kilby
- Nel 1923, Kilby nacque a in Missouri, USA.
- Nel 1947, Kilby si laureò all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign.
- Nel 1958, Kilby entrò a far parte della Texas Instruments Semiconductor Corporation.
- Nel 1958, Kilby inventò il primo circuito integrato nella storia dell’umanità.
- Nel 2000, Kilby fu insignito del Premio Nobel per la Fisica per l’invenzione del circuito integrato.
- Nel 2005, Kilby morì di cancro a Dallas, in Texas, all’età di 81 anni.
Il primo IC al germanio - 1958
Come menzionato sopra, Kilby entrò a far parte della Texas Instruments Semiconductor nel 1958.
A quel tempo, Texas Instruments e il U.S. Communications Corps stavano collaborando a un progetto chiamato Micromodule Initiative (Micromodule). L’obiettivo di ricerca di questo progetto è quello di unificare le dimensioni e la forma dei componenti elettronici PCB come transistor, resistori e condensatori, in modo da standardizzare il processo di interconnessione, ridurre lo spazio del circuito e ridurre la difficoltà e il tasso di errore della saldatura.
Kilby non pensava che l’idea del progetto micromodulo avesse senso, quindi iniziò a lavorare a una soluzione migliore.
Inizialmente, Kilby ideò una sostituzione. Di conseguenza, dopo un’analisi dei costi, si scoprì che il costo era troppo alto per essere prodotto in serie. Quindi, si imbatté in un dilemma di ricerca.
Nell’agosto 1958, la situazione prese una svolta positiva. Ispirato dal rinomato scienziato Geoffrey Dummer del Royal Radar Institute, Kilby scoprì che microcircuiti estremamente piccoli costituiti da molti dispositivi potevano essere fabbricati su un singolo chip. In altre parole, diversi dispositivi elettronici come resistori, condensatori, diodi e transistor possono essere fabbricati su chip di silicio e collegati con fili sottili.
Questa incredibile idea lo entusiasmò molto. Quel giorno, registrò i suoi pensieri in dettaglio nel suo quaderno e concepì persino un processo di circuito completo, scrivendo per ben cinque pagine.
Immediatamente dopo le vacanze, Kilby riferì la sua idea al suo diretto superiore, Willis Adcock (allora direttore dello sviluppo di Texas Instruments). Propose di poter realizzare un circuito di trigger per la verifica.
La prima reazione di Willis Adcock fu che il piano era un po’ ingombrante e inaffidabile. Tuttavia, dopo un’attenta riflessione, accettò con riluttanza il suggerimento di Kilby.
Quindi Kilby iniziò a implementare il suo piano. Inizialmente, Kilby progettò di utilizzare il “silicio” come substrato per realizzare circuiti. Nell’agosto 1958, realizzò transistor a giunzione, resistori e condensatori in silicio (Si), ma non c’era modo di integrarli. Nel settembre 1958, passò a realizzare un circuito integrato in germanio (Ge) di sole 7/16 di pollice per 1/16 di pollice. Il circuito è un oscillatore a singolo transistor con feedback RC e il tutto è incollato su una vetrino e sembra molto grezzo. I componenti del circuito sono collegati da fili sottili disordinati.
Testimoniato dai colleghi, Kilby collegò dieci volt all’ingresso e l’oscilloscopio all’uscita. Nel momento dopo il collegamento, una forma d’onda oscillante con una frequenza di 1,2 MHz e un’ampiezza di 0,2 volt apparve sull’oscilloscopio.
Kilby ebbe successo e creò il primo circuito integrato al mondo realizzato con un singolo materiale. La funzione di questo dispositivo è molto semplice, ovvero generare un’onda sinusoidale.
È interessante notare che il primo chip utilizzava il germanio invece del silicio. Inizialmente, l’industria decise che non ne valeva semplicemente la pena. Solo l’esercito americano è interessato a questo concetto. Lui stesso disse: “All’epoca, era solo un argomento di intrattenimento alle conferenze tecnologiche. Ma fortunatamente, l’esercito americano lo ha supportato.”
Il 6 febbraio 1959, Texas Instruments e Kilby depositarono una domanda di brevetto presso l’Ufficio Brevetti degli Stati Uniti. Nel documento, Kilby descrive il suo nuovo dispositivo come “un materiale semiconduttore… In cui tutti i componenti del circuito elettronico sono completamente integrati”.
Il 6 marzo 1959, l’American Society of Radio Engineers (in seguito IEEE) tenne la sua riunione annuale a New York. Texas Instruments tenne una conferenza stampa di alto profilo presso il prestigioso Waldorf Astoria Hotel per presentare ufficialmente l’invenzione di Kilby.
Mark Shepherd, allora responsabile della divisione semiconduttori di Texas Instruments (in seguito presidente di Texas Instruments), disse in una conferenza stampa: “Questa è l’invenzione più importante da quando Texas Instruments ha annunciato il suo ingresso nel mercato dei transistor.”
Il Primo Circuito Integrato al Silicio - 1959
Nello stesso periodo in cui Kilby inventò il circuito integrato, un altro uomo fece anche una svolta nel campo dei circuiti integrati. Questa persona è Robert Norton Noyce di Fairchild Semiconductor. Fu anche uno dei successivi fondatori di Intel.
Questo processo consiste nell’aggiungere uno strato di ossido di silicio alla wafer di silicio come strato isolante. Quindi, vengono praticati dei fori in questo strato di silice isolante e i dispositivi realizzati con la tecnologia di diffusione del silicio vengono collegati al film di alluminio.
La nascita della tecnologia planare ha permesso a Fairchild di produrre transistor al silicio ad alte prestazioni di dimensioni estremamente ridotte e ha reso possibile collegare i dispositivi nei circuiti integrati.
Il 23 gennaio 1959, Noyce scrisse nelle sue note di lavoro: “La fabbricazione di vari dispositivi sulla stessa wafer di silicio e il loro collegamento utilizzando un processo planare possono produrre circuiti elettronici multifunzionali.” Questa tecnologia può ridurre le dimensioni, il peso e il costo dei circuiti.
Noyce fu scioccato quando Texas Instruments annunciò l’invenzione di Kilby. Noyce si rammaricò di non essersi mosso abbastanza velocemente. D’altra parte, scoprì che l’invenzione di Kilby era in realtà profondamente difettosa.
I circuiti integrati di Kilby erano collegati da fili volanti, che non potevano essere prodotti in massa e mancavano di valore pratico.
L’idea di Noyce è quella di realizzare piastre negative da tutti i circuiti e i singoli componenti di un dispositivo elettronico, e quindi inciderli su wafer di silicio. Una volta che la wafer di silicio è intagliata, è tutta la circuiteria che può essere utilizzata direttamente per assemblare il prodotto. Inoltre, il metodo di deposizione evaporativa del metallo può sostituire la saldatura a filo termico, eliminando completamente i fili volanti.
Il 30 luglio 1959, Noyce depositò un brevetto basato sulla sua idea: “Dispositivi a semiconduttore – Struttura a filo”.
Uso Commerciale dei Circuiti Integrati
Nel marzo 1960, Texas Instruments lanciò ufficialmente il primo prodotto commerciale di circuiti integrati al mondo, il flip-flop binario multiresonante bistabile al silicio 502, basato sul design di Jack Kilby, con un prezzo di vendita di $ 450. Questo è il primo chip commerciale sviluppato da TI. La struttura interna del chip è mostrata nella figura seguente:
La seguente figura è uno schema di questo. Si può vedere che la struttura di questo chip è molto semplice, inclusi due transistor, quattro diodi, sei resistori e due condensatori.
Nel 1961, Fairchild Semiconductor ha rilasciato il primo circuito integrato commerciale. Da allora, tutti i computer, in particolare schede madri per computer, hanno utilizzato chip integrati invece di circuiti transistor discreti.
Dopo la nascita dei circuiti integrati, sono stati inizialmente utilizzati in campo militare (era il periodo più delicato della Guerra Fredda). Nel 1961, l’aeronautica statunitense ha utilizzato per la prima volta circuiti integrati realizzati con wafer di silicio e nel 1962 sono stati installati nell’ICBM Zouave.
Il successo delle applicazioni militari ha portato all’espansione del mercato civile. Nel 1964, Zenith ha utilizzato circuiti integrati negli apparecchi acustici, che è stata la prima volta che i circuiti integrati sono stati utilizzati in campo civile. Da allora, il costo dei circuiti integrati è gradualmente diminuito, il processo è stato continuamente migliorato e gradualmente è stato accettato dall’industria.
Nel 1967, il team di Kilby ha completato con successo lo sviluppo di una nuova calcolatrice miniaturizzata, la prima calcolatrice elettronica portatile, la Pocketronic.
Nel 1970, Intel ha introdotto il primo circuito integrato DRAM (Dynamic Random Access Memory) 1103.
Nel 1971, Intel ha introdotto il primo chip di calcolo programmabile al mondo, inclusa un’unità di calcolo e un controller – Intel 4004. Con 2300 transistor, l’Intel 4004 è stato il primo microprocessore al mondo. La sua nascita ha dato il via all’era dei microcomputer.
Controversia sui brevetti tra Kilby e Noyce
Ad essere onesti, l’invenzione di Noyce è più vicina al circuito integrato nel senso moderno. Il design di Neuss si basa su un processo planare su substrato di silicio, mentre il design di Kilby si basa su un processo di diffusione su substrato di germanio. Facendo affidamento sui vantaggi tecnologici del silicio di Fairchild, il circuito di Neuss è effettivamente più avanzato di quello di Kilby.
Tuttavia, i circuiti integrati ibridi di Kilby hanno già le caratteristiche dei circuiti integrati e sono stati utilizzati prima.
Di conseguenza, Texas Instruments di Kilby e Fairchild Semiconductor di Noyce hanno lanciato una feroce guerra sui brevetti.
A proposito della causa, Kilby ha detto: “Nessuno sospetterebbe che fossi il primo a realizzare circuiti integrati. Il dottor Noyce è stato il primo a fare quello che volevo fare – usare metallo evaporato per realizzare fili tra i dispositivi. L’approccio del dottor Noyce è molto diverso da quello che ho fatto. Ha detto che mi simpatizzava come co-inventore, ma io non la pensavo così.”
La Corte Federale degli Stati Uniti assegna gli inventori dei circuiti integrati
Nel 1966, il tribunale ha finalmente assegnato a Kilby l’invenzione dei circuiti integrati (circuiti integrati ibridi), insieme ai diritti di invenzione del processo di confezionamento e produzione di circuiti integrati che è oggi popolare Concesso a Noyce.
Kilby è noto come “l’inventore del primo circuito integrato,” mentre Noyce è stato colui che “ha ideato la teoria dei circuiti integrati adatti alla produzione industriale.”
Lo stesso anno, Texas Instruments e Fairchild hanno stipulato un accordo di cross-licensing per condividere i brevetti sui circuiti integrati.
Nel 1969, una corte federale degli Stati Uniti ha stabilito che i brevetti sui circuiti integrati presentati dai due erano invenzioni indipendenti parallele.
In totale, Jack Kilby ha presentato più di sessanta brevetti di invenzione. Ha ricevuto la Medaglia Americana per la Scienza nel 1970.
Robert Noyce, la cui invenzione detiene più di 16 brevetti, ha fondato Intel Semiconductor, che in seguito ha realizzato il primo microprocessore.
