Entegre devrelere giriş
IC veya mikroçip olarak da bilinen entegre devre, 21. yüzyılın en büyük icatlarından biridir. Günümüzde kullandığımız neredeyse tüm elektronik ürünler entegre devreler içerir. Peki, IC’nin gerçek mucidi kimdir, biliyor musunuz?
Entegre devrelerin mucidi
Jack Kilby'ye Genel Bakış
- Kilby, 1923 yılında ABD'nin Missouri eyaletinde doğdu.
- 1947 yılında Kilby, Urbana-Champaign'daki Illinois Üniversitesi'nden mezun oldu.
- 1958'de Kilby, Texas Instruments Semiconductor Corporation'a katıldı.
- 1958'de Kilby, insanlık tarihindeki ilk entegre devreyi icat etti.
- 2000 yılında Kilby, entegre devrenin icadı nedeniyle Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
- 2005 yılında Kilby, Teksas'ın Dallas kentinde 81 yaşında kanserden vefat etti.
İlk Germanium Entegre Devre - 1958
Yukarıda da belirtildiği gibi, Kilby 1958 yılında Texas Instruments Semiconductor'a katıldı.
O dönemde, Texas Instruments ve ABD İletişim Kolordusu, Micromodule Initiative (Micromodule) adlı bir proje üzerinde birlikte çalışıyordu. Bu projenin araştırma amacı, transistörler, dirençler ve kondansatörler gibi PCB elektronik bileşenlerinin boyut ve şeklini birleştirerek, bağlantı sürecini standartlaştırmak, devre alanını azaltmak ve lehimlemenin zorluğunu ve hata oranını düşürmekti.
Kilby, mikromodül projesinin mantıklı olmadığını düşündü ve daha iyi bir çözüm üzerinde çalışmaya başladı.
İlk başta Kilby bir alternatif tasarladı. Ancak maliyet analizi sonucunda, bu alternatifin seri üretime geçmek için çok pahalı olduğu ortaya çıktı. Böylece, bir araştırma ikilemine girdi.
Ağustos 1958'de durum iyiye doğru bir dönüş yaptı. Kraliyet Radar Enstitüsü'nün ünlü bilim adamı Geoffrey Dummer'dan ilham alan Kilby, birçok cihazdan oluşan son derece küçük mikro devrelerin tek bir çip üzerinde üretilebileceğini keşfetti. Başka bir deyişle, dirençler, kondansatörler, diyotlar ve transistörler gibi farklı elektronik cihazlar silikon çipler üzerinde üretilebilir ve ince tellerle birbirine bağlanabilir.
Bu şaşırtıcı fikir onu çok heyecanlandırdı. O gün, düşüncelerini defterine ayrıntılı olarak kaydetti ve hatta tam beş sayfa yazarak eksiksiz bir devre süreci tasarladı.
Tatilin hemen ardından Kilby, fikrini doğrudan amiri Willis Adcock'a (o zamanlar Texas Instruments geliştirme müdürü) bildirdi. Doğrulama için bir tetik devresi yapabileceğini önerdi.
Willis Adcock'un ilk tepkisi, planın biraz zahmetli ve güvenilmez olduğu yönündeydi. Ancak, uzun uzun düşündükten sonra, isteksizce de olsa Kilby'nin önerisini kabul etti.
Böylece Kilby planını uygulamaya başladı. Başlangıçta Kilby, devreleri yapmak için "silikon"u substrat olarak kullanmayı planladı. Ağustos 1958'de silikondan (Si) bağlantı transistörleri, dirençler ve kapasitörler yaptı, ancak bunları entegre etmenin bir yolu yoktu. Eylül 1958'de, sadece 7/16 inç x 1/16 inç boyutlarında bir germanyum (Ge) entegre devre üretti. Devre, RC geri beslemeli tek transistörlü bir osilatördür ve tüm parça cam slayda yapıştırılmıştır ve çok kaba görünmektedir. Devrenin bileşenleri, dağınık ince tellerle birbirine bağlanmıştır.
Meslektaşlarının gözü önünde Kilby, girişe 10 voltluk bir gerilim bağladı ve çıkışa osiloskobu bağladı. Bağlantı yapıldığı anda, osiloskobun ekranında 1,2 MHz frekansında ve 0,2 volt genlikli bir salınım dalga formu belirdi.
Kilby başardı ve tek bir malzemeden yapılmış dünyanın ilk entegre devresini yarattı. Bu cihazın işlevi çok basittir ve sinüs dalgası üretmektir.
İlginç bir şekilde, ilk çip silikon yerine germanyum kullanıyordu. İlk başta endüstri, bunun kesinlikle değmeyeceğine karar verdi. Bu konseptle sadece ABD ordusu ilgileniyordu. Kendisi şöyle dedi: "O zamanlar, bu sadece teknoloji konferanslarında bir eğlence konusuydu. Ama neyse ki ABD ordusu bunu destekledi.
6 Şubat 1959'da Texas Instruments ve Kilby, ABD Patent Ofisi'ne bir patent başvurusu yaptı. Belgede Kilby, yeni cihazını "elektronik devrenin tüm bileşenlerinin tamamen entegre olduğu bir yarı iletken malzeme" olarak tanımlıyor.
6 Mart 1959'da, Amerikan Radyo Mühendisleri Derneği (daha sonra IEEE) yıllık toplantısını New York'ta düzenledi. Texas Instruments, Kilby'nin icadını resmi olarak tanıtmak için prestijli Waldorf Astoria Oteli'nde büyük bir basın toplantısı düzenledi.
O dönemde Texas Instruments'ın yarı iletken bölümünün başkanı olan (daha sonra Texas Instruments'ın başkanı olacak) Mark Shepherd, basın toplantısında şunları söyledi: "Bu, Texas Instruments'ın transistör pazarına girişini duyurmasından bu yana yapılan en önemli icattır.
İlk Silikon Entegre Devre - 1959
Kilby entegre devreyi icat ederken, başka bir kişi de IC alanında çığır açan bir gelişme kaydetti. Bu kişi, Fairchild Semiconductor’dan Robert Norton Noyce’dur. O da Intel’in kurucularından biridir.
Bu işlem, silikon yongasına yalıtım katmanı olarak bir silikon oksit tabakası eklemektir. Ardından, bu yalıtım silika tabakasına delikler açılır ve silikon difüzyon teknolojisiyle üretilen cihazlar alüminyum filme bağlanır.
Düzlemsel teknolojinin doğuşu, Fairchild'ın son derece küçük boyutlu yüksek performanslı silikon transistörler üretmesini sağladı ve entegre devrelerdeki cihazların bağlanmasını mümkün kıldı.
23 Ocak 1959'da Noyce çalışma notlarına şöyle yazdı: "Aynı silikon yonga üzerinde çeşitli cihazlar üretip bunları düzlemsel bir işlemle birleştirmek, çok işlevli elektronik devrelerin ortaya çıkmasını sağlayabilir." Bu teknoloji, devrelerin boyutunu, ağırlığını ve maliyetini azaltabilir.
Noyce, Texas Instruments'ın Kilby'nin icadını duyurmasına şok oldu. Noyce, yeterince hızlı hareket etmediğine pişman oldu. Öte yandan, Kilby'nin icadının aslında ciddi kusurlar içerdiğini fark etti.
Kilby'nin entegre devreleri, seri üretime hiç uygun olmayan ve pratik değeri olmayan uçan tellerle birbirine bağlanmıştı.
Noyce'un fikri, bir elektronik cihazın tüm devrelerinden ve tek tek bileşenlerinden negatif plakalar yapmak ve bunları silikon yongalarına kazımaktı. Silikon yongası oyulduktan sonra, ürünün montajında doğrudan kullanılabilecek tüm devreler ortaya çıkıyordu. Ayrıca, metal buharlaştırma yöntemiyle termal kaynak telinin yerini alabilir ve uçan telleri tamamen ortadan kaldırabilirdi.
30 Temmuz 1959'da Noyce, "Yarı İletken Cihazlar – Tel Yapısı" adlı fikrine dayalı bir patent başvurusunda bulundu.
Entegre Devrelerin Ticari Kullanımı
Mart 1960'ta Texas Instruments, Jack Kilby'nin tasarımına dayanan ve 450 dolarlık satış fiyatıyla dünyanın ilk ticari entegre devre ürünü olan 502 silikon çift kararlı çok rezonanslı ikili flip-flop'u resmi olarak piyasaya sürdü. Bu, TI tarafından geliştirilen ilk ticari çiptir. Çipin iç yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:
Aşağıdaki şekil bunun şematik diyagramını göstermektedir. Bu yonganın yapısının iki transistör, dört diyot, altı direnç ve iki kondansatörden oluştuğu ve oldukça basit olduğu görülmektedir.
1961 yılında Fairchild Semiconductor, ilk ticari entegre devreyi piyasaya sürdü. O günden bu yana tüm bilgisayarlar, özellikle de bilgisayar anakartları, ayrı transistör devreleri yerine entegre yongalar kullanmaktadır.
Entegre devrelerin ortaya çıkmasından sonra, ilk olarak askeri alanda kullanıldılar (o dönem Soğuk Savaş'ın en hassas dönemiydi). 1961 yılında, ABD Hava Kuvvetleri silikon yongalardan yapılmış entegre devreleri ilk kez kullandı ve 1962'de bunlar Zouave ICBM'ye takıldı.
Askeri uygulamalardaki başarı, sivil pazarın genişlemesine yol açtı. 1964'te Zenith, işitme cihazlarında entegre devreler kullandı; bu, entegre devrelerin sivil alanda ilk kez kullanılmasıydı. O zamandan beri, entegre devrelerin maliyeti kademeli olarak azaldı, süreç sürekli olarak iyileştirildi ve endüstri tarafından kademeli olarak kabul gördü.
1967'de Kilby'nin ekibi, dünyanın ilk elektronik el hesap makinesi olan Pocketronic adlı yeni bir minyatür hesap makinesinin geliştirilmesini başarıyla tamamladı.
1970 yılında Intel, dünyanın ilk DRAM (Dinamik Rasgele Erişim Belleği) entegre devresi olan 1103'ü piyasaya sürdü.
1971'de Intel, bir hesaplama birimi ve bir denetleyici içeren dünyanın ilk programlanabilir hesaplama yongası olan Intel 4004'ü piyasaya sürdü. 2300 transistörlü Intel 4004, dünyanın ilk mikroişlemcisiydi. Onun doğuşu, mikrobilgisayar çağını başlattı.
Kilby ile Noyce Arasındaki Patent Anlaşmazlığı
Dürüst olmak gerekirse, Noyce'un icadı modern anlamdaki entegre devreye daha yakındır. Neuss'un tasarımı silikon alt tabaka düzlemsel işlemine dayanırken, Kilby'nin tasarımı germanyum alt tabaka difüzyon işlemine dayanmaktadır. Fairchild'ın silikon teknolojisindeki avantajlarından yararlanan Neuss'un devresi, Kilby'ninkinden gerçekten daha gelişmiştir.
Ancak, Kilby'nin hibrit entegre devreleri zaten entegre devrelerin özelliklerine sahipti ve daha önce kullanılmıştı.
Sonuç olarak, Kilby'nin Texas Instruments şirketi ile Noyce'un Fairchild Semiconductor şirketi arasında şiddetli bir patent savaşı başladı.
Dava hakkında Kilby şunları söyledi: "Kimse entegre devreleri ilk yapanın ben olduğumu tahmin edemezdi. Dr. Noyce, benim yapmak istediğim şeyi ilk yapan kişiydi – buharlaştırılmış metal kullanarak cihazlar arasında bağlantılar kurmak. Dr. Noyce'un yaklaşımı benim yaptığımdan çok farklı. Ortak mucit olarak bana sempati duyduğunu söyledi, ama ben öyle düşünmedim.
ABD Federal Mahkemesi, IC'lerin Mucidine Tazminat Ödemesine Karar Verdi
1966 yılında mahkeme, entegre devrelerin (melez entegre devreler) icadını nihayet Kilby’ye verirken, günümüzde yaygın olarak kullanılan entegre devre paketleme ve üretim sürecinin icat haklarını ise Noyce’a tanıdı.
Kilby, "ilk entegre devrenin mucidi" olarak bilinirken, Noyce ise "endüstriyel üretime uygun entegre devre teorisini ortaya atan" kişi olarak anılır.
Aynı yıl, Texas Instruments ve Fairchild, entegre devre patentlerini paylaşmak üzere bir çapraz lisans anlaşması imzaladı.
1969'da, bir ABD federal mahkemesi, ikisi tarafından başvurulan entegre devre patentlerinin paralel bağımsız icatlar olduğuna hükmetti.
Jack Kilby toplamda altmıştan fazla buluş patenti başvurusunda bulundu. 1970 yılında Amerikan Bilim Madalyası ile ödüllendirildi.
16'dan fazla patente sahip olan Robert Noyce, daha sonra ilk mikroişlemciyi üreten Intel Semiconductor'ı kurdu.
