Чип, который построил Джек

История рождения микросхемы.

О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице:

«Вчера Bell Telephone Laboratories (Wall Street, 463) впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп.

Прибор был применен в схеме радиоприемника, не содержащего обычных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны.

Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 мм, не содержит полости, из которой откачан воздух, сетки, анода или стеклянного корпуса, предохраняющего от попадания в прибор воздуха. Он начинает работу мгновенно, без задержки на разогрев, так как, в отличие от радиолампы, в нем отсутствует нить накала.

Рабочие элементы прибора состоят всего лишь из двух тонких проволочек, подходящих к кусочку твердого полупроводникового материала величиной с булавочную головку, приплавленному к металлическому основанию. Вещество, помещенное на металлическом основании, усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток».(Electronics, Special Commemorative Issue 1980, Vol., 53, No.9 (587) A McGraw-Hill Publication.) Рисунок Алексея Бондарева (транзистор внутри лампы)

Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. Инвесторы делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум. Однако нашлись энтузиасты, открывшие для транзистора свободную рыночную нишу - слуховые аппараты.

В 1947 году Джек Килби (Jack Kilby) стал работать инженером маленькой фирмы Centralab. После посещения конференции, на которой Bell продемонстрировала транзистор<1>, Килби загорелся идеей создания транзисторного слухового аппарата. Джек возглавил на Centralab новый проект и сделал первый в мире миниатюрный аппарат для глухих. До 1958 года Килби руководил производством слуховых аппаратов. Затем он решил покинуть компанию.

Когда Джек Килби пришел в мае 1958 года в Texas Instruments, фирма производила главным образом транзисторы, конденсаторы и резисторы. Уиллис Эдкок (Willis Adcock), начальник Джека Килби, занял специалиста вопросами создания альтернативы микромодулям. Рассматривался вариант сборки блоков из деталей, как игрушечных моделей из нынешних кубиков LEGO. На примере конструкции усилителя промежуточной частоты Килби сделал стоимостный анализ.

Исследование выполнялось летом в период массовых отпусков. Как новичок, не отработавший и полгода, Джек Килби не мог претендовать на отпуск, и ему одному пришлось выполнить массу рутинной работы. Зато он разобрался в структуре ценообразования местного полупроводникового производства.

Однажды Килби посетила простая, но гениальная идея: полупроводниковой компании выгоднее всего производить только полупроводниковые изделия.

«Мысль повела меня дальше, полупроводники - это единственно, что нам требуется: резисторы и конденсаторы, в особенности, можно сделать из того же материала, что и активные элементы. Я также решил, что уж если все компоненты сделаны из одного материала, то они могут и размещаться удобным образом, соединяясь так друг с другом, чтобы получилась готовая схема». (www.ti.com/corp/docs/history/vacation.htm)

Джек прикинул топологию возможной схемы мультивибратора. И транзисторы, и конденсаторы (как обратно смещаемые pn-переходы), и резисторы могли быть выполнены в объеме германия. Свои наброски Килби показал шефу, когда тот вернулся из отпуска. Босс пришел в восторг от идеи, но потребовал доказательств работоспособности схемы, целиком сделанной из полупроводника.

Тогда была построена схема триггера из дискретных германиевых элементов. В ней были использованы резисторы в виде кусочков нужных размеров для обеспечения номинала сопротивления, конденсаторы из легированного полупроводника со слоем металла на обеих сторонах.

28 августа 1958 года Джек Килби продемонстрировал макет Уиллису Эдкоку. Все работало, и этим была доказана верность концепции. Килби немедленно стал делать первую настоящую монолитную интегральную микросхему.

Первая в мире интегральная микросхема (рисунок из рабочей тетради Джека Килби)

Для первой микросхемы были взяты несколько пластин с уже готовыми контактными площадками и легированными областями. Килби сделал такую топологию схемы, чтобы можно было использовать готовые структуры. Схема генератора с фазовым сдвигом - любимый тест для линейных схем того времени. В сентябре были готовы три генератора. При подключении питания они заработали на частоте 1,3 МГц. Это случилось 12 сентября 1958 года.

Достижение инженера из Техаса многими было встречено скептически. В качестве слабых сторон микросхемы объявлялась, например... неремонтопригодность. Но время показало, что Джек Килби сделал одно из наиболее важных изобретений в истории человечества.

Соавтор из Fairchild

История микросхемы тесно связана с фирмой Fairchild. Здесь собралась великолепная команда специалистов. Роберт Нойс изучал недавно изобретенный планарный транзистор и думал о его наиболее выгодном использовании. Нойс рассказал коллегам о своих идеях по размещению на одном чипе многих элементов всего через месяц после объявления открытия микросхемы.

Диффузионные резисторы, изоляция pn-переходом, смещенным в обратном направлении, соединение элементов схемы с помощью напыляемого слоя алюминия - эти решения составили костяк интегральной технологии. Поэтому не стоит удивляться, когда говорят, что микросхему изобрели два человека - Джек Килби и Роберт Нойс.

То было время растущих военных заказов. Texas Instruments работала над микросхемами для ракет «Минитмен». Fairchild больше сотрудничала с NASA и коммерческими фирмами. В 1960 году она выпустила свою первую серию логических интегральных схем Micrologic.

В открытии микросхемы осенью 1958 года есть доля лукавства. Первый чип был биполярный, а сейчас почти все микросхемы сделаны по КМОП-технологии (Комплементарная Металл-Окисел-Полупроводниковая). В 1958 году о МОП-структурах (а КМОП и подавно) еще не слышали.

В 1957 году инженер из RCA Джон Уолмарк получил патент на полевой транзистор с pn-переходом. Через год М. Аталла, исследователь из Bell Telephone Laboratories, теоретически установил возможность создания МОП-транзистора на кремнии с использованием оксида кремния как подзатворного диэлектрика. Этот полупроводниковый прибор был шагом в КМОП-технологию. Родителями МОП-микросхемы можно считать Стивена Хофштейна и Фредерика Хеймана. Они в конце 1962 года сделали логическую микросхему из шестнадцати МОП-транзисторов.

МОП-схемы долго пробивали себе дорогу в рыночную жизнь. Выпуск их подскочил в 70 годах. Если в 1969 году чипов было продано на 15 млн. долларов, то через два года продажи достигли 100 млн. долларов. [4] В России в начале 70 годов, судя по публикациям в журнале «Electronics», массовый выпуск МОП-микросхем был налажен с размахом, опережавшим американский. Пока американцы раздумывали, в СССР решили наводнить свой рынок МОП-схемами. Но схемы были с неудобным высоким напряжением питания (27 В). Эти чипы так и не стали популярными, но дали повод нашему министру принять на некоторое время важный вид.

О славных пионерских годах микросхемы много интересного уже написано самими участниками событий (список источников есть, например, на (www.geocities.com/SiliconValley/Bay/4104/history.html) Про нелегкую российскую полупроводниковую юность можно узнать в зеленоградском (подмосковная «Кремниевая Долина») музее или в музеях предприятий.

Что бы ни говорили сторонники НЛО-версии рождения транзистора (см. «Новогодний подарок г-на Шульмана», «Компьютерра» #1, 1998, www.cterra.com/229/news/002_loc.html , подробный анализ нелепостей от ACC можно почитать на www.geocities.com/CapeCanaveral/Hangar/9587/), перед тем как замечательное изобретение было сделано, ученые из Bell изрядно потрудились в области физики твердого тела. Их усилия подкреплялись исследованиями, которые проводились во многих странах. Великий поход в Полупроводники начался еще в 1833 году (может, там поискать инопланетян, раздающих полупроводниковые рецепты?) - Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. Через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.