Nuovi e originali componenti elettronici dei chip IC del circuito integrato TPA3116D2DADR

Agli albori dei chip semiconduttori, il silicio non era il protagonista, lo era il germanio.Il primo transistor era un transistor a base di germanio e il primo chip del circuito integrato era un chip al germanio.
Il primo transistor fu inventato da Bardeen e Bratton, che inventarono il transistor bipolare (BJT).Il primo diodo di giunzione P/N fu inventato da Shockley e, immediatamente, questo tipo di giunzione progettato da Shockley divenne la struttura standard per il BJT ed è in servizio oggi.Nello stesso anno, nel 1956, i tre vinsero anche il Premio Nobel per la fisica.
Un transistor può essere semplicemente inteso come un interruttore in miniatura.A seconda delle proprietà del semiconduttore, è possibile formare un semiconduttore di tipo N drogando il semiconduttore con fosforo e un semiconduttore di tipo P con boro.La combinazione di semiconduttori di tipo N e di tipo P forma la giunzione PN, una struttura importante nei chip elettronici;ciò consente di eseguire operazioni logiche specifiche (come con-gate, or-gate, non-gate, ecc.)
Il germanio, tuttavia, presenta alcuni problemi molto difficili, come i numerosi difetti di interfaccia nel semiconduttore, la scarsa stabilità termica e la mancanza di ossidi densi.Inoltre, il germanio è un elemento raro, con solo 7 parti per milione nella crosta terrestre, e anche i minerali di germanio sono molto sparsi.È perché il germanio è molto raro e non concentrato che il costo delle materie prime per il germanio rimane elevato;le cose sono rare e l'alto costo delle materie prime non rende i transistor al germanio più economici, quindi è difficile produrre transistor al germanio su larga scala.

I ricercatori, quindi, sono saliti di livello e hanno esaminato l'elemento silicio.Si potrebbe dire che tutte le carenze intrinseche del germanio sono vantaggi intrinseci del silicio.

Il silicio è il secondo elemento più abbondante dopo l'ossigeno, ma praticamente non si trovano monomeri di silicio in natura;i suoi composti più comuni sono la silice e i silicati.Di questi, la silice è a sua volta uno dei componenti principali della sabbia.Inoltre, composti come feldspato, granito e quarzo sono tutti basati su composti di silice e ossigeno.

Il silicio è termicamente stabile, ha un ossido denso e ad alta costante dielettrica e può essere facilmente preparato con un'interfaccia silicio-ossido di silicio con pochissimi difetti interfacciali.

L'ossido di silicio è insolubile in acqua (l'ossido di germanio è solubile in acqua) e insolubile nella maggior parte degli acidi, il che è semplicemente un abbinamento perfetto per la tecnica di stampa a corrosione utilizzata per i circuiti stampati.Il prodotto di questa combinazione è il processo piatto per i circuiti integrati che continua ancora oggi.
Colonne di cristallo di silicio

Il viaggio del silicio verso l'alto
Un'impresa fallita: si dice che Shockley vedesse un'enorme opportunità di mercato in un momento in cui nessuno era ancora riuscito a realizzare un transistor al silicio;ecco perché lasciò i Bell Labs nel 1956 per avviare la propria azienda in California.Sfortunatamente, Shockley non era un buon imprenditore e la sua gestione aziendale era una follia rispetto alle sue capacità accademiche.Quindi lo stesso Shockley non realizzò l'ambizione di sostituire il germanio con il silicio, e il palco per il resto della sua vita fu il podio dell'Università di Stanford.Un anno dopo la sua fondazione, gli otto giovani talentuosi che aveva reclutato lo abbandonarono in massa, e furono gli "otto traditori" a completare l'ambizione di sostituire il germanio con il silicio.

L'ascesa del transistor al silicio

Prima che gli Otto Rinnegati fondassero la Fairchild Semiconductor, i transistor al germanio erano il mercato dominante per i transistor, con quasi 30 milioni di transistor prodotti negli Stati Uniti nel 1957, solo un milione di transistor al silicio e quasi 29 milioni di transistor al germanio.Con una quota di mercato del 20%, Texas Instruments è diventata il gigante nel mercato dei transistor.
Otto rinnegati e Fairchild Semiconductor

I maggiori clienti del mercato, il governo e l'esercito americano, vogliono utilizzare i chip in gran numero in razzi e missili, aumentando il prezioso carico di lancio e migliorando l'affidabilità dei terminali di controllo.Ma i transistor dovranno affrontare anche condizioni operative difficili causate da alte temperature e vibrazioni violente.

Il germanio è il primo a perdere terreno in termini di temperatura: i transistor al germanio possono resistere a temperature di soli 80°C, mentre i requisiti militari prevedono un funzionamento stabile anche a 200°C.Solo i transistor al silicio possono resistere a questa temperatura.
Il tradizionale transistor al silicio

Fairchild ha inventato il processo di produzione dei transistor al silicio, rendendoli semplici ed efficienti come i libri stampati e molto più economici dei transistor al germanio in termini di prezzo.Il processo di Fairchild per realizzare transistor al silicio è approssimativo come segue.

In primo luogo, un layout viene disegnato a mano, a volte così grande da occupare un muro, quindi il disegno viene fotografato e ridotto a un minuscolo foglio traslucido, spesso con due file di tre fogli, ciascuno dei quali rappresenta uno strato di circuiti.

In secondo luogo, uno strato di materiale sensibile alla luce viene applicato al wafer di silicio liscio tagliato e lucidato e l'UV/laser viene utilizzato per proteggere il modello del circuito dal foglio di transilluminazione sul wafer di silicio.

In terzo luogo, le aree e le linee nella parte scura del foglio di transilluminazione lasciano motivi non esposti sul wafer di silicio;questi modelli non esposti vengono puliti con una soluzione acida e vengono aggiunte impurità dei semiconduttori (tecnica di diffusione) oppure vengono placcati conduttori metallici.

In quarto luogo, ripetendo i tre passaggi precedenti per ciascun wafer traslucido, è possibile ottenere un gran numero di transistor su wafer di silicio, che vengono tagliati da lavoratrici al microscopio e quindi collegati a cavi, quindi confezionati, testati e venduti.

Con i transistor al silicio disponibili in grandi quantità, gli otto fondatori rinnegati di Fairchild erano tra le aziende che potevano stare al fianco di giganti come Texas Instruments.

La spinta importante: Intel
Fu la successiva invenzione del circuito integrato a riassumere il predominio del germanio.All'epoca esistevano due linee tecnologiche, una per i circuiti integrati su chip al germanio della Texas Instruments e una per i circuiti integrati su chip al silicio della Fairchild.Inizialmente tra le due società vi fu un acceso contenzioso sulla titolarità dei brevetti sui circuiti integrati, ma in seguito l'Ufficio Brevetti riconobbe la titolarità dei brevetti sui circuiti integrati ad entrambe le società.
Tuttavia, poiché il processo di Fairchild era più avanzato, divenne lo standard per i circuiti integrati e continua ad essere utilizzato oggi.Successivamente, Noyce, l'inventore del circuito integrato, e Moore, l'inventore della Legge di Moore, lasciarono la Centron Semiconductor, che, tra l'altro, erano entrambi membri degli "Otto Traditori".Insieme a Grove, crearono quella che oggi è la più grande azienda di chip per semiconduttori al mondo, Intel.
I tre fondatori di Intel, da sinistra: Grove, Noyce e Moore

Negli sviluppi successivi, Intel ha spinto i chip di silicio.Ha battuto giganti come Texas Instruments, Motorola e IBM per diventare il re del settore dello storage dei semiconduttori e delle CPU.

Quando Intel divenne l'attore dominante nel settore, il silicio mise fine anche al germanio e quella che una volta era la Santa Clara Valley fu ribattezzata "Silicon Valley".Da allora, nella percezione pubblica, i chip di silicio sono diventati l’equivalente dei chip a semiconduttore.

Il germanio, tuttavia, presenta alcuni problemi molto difficili da risolvere, come i numerosi difetti di interfaccia dei semiconduttori, la scarsa stabilità termica e la mancanza di ossidi densi.Inoltre, il germanio è un elemento raro, con solo 7 parti per milione nella crosta terrestre, e anche i minerali di germanio sono molto sparsi.È perché il germanio è molto raro e non concentrato che il costo delle materie prime per il germanio rimane elevato;le cose sono rare e l'alto costo delle materie prime non rende i transistor al germanio più economici, quindi è difficile produrre transistor al germanio su larga scala.

I ricercatori, quindi, sono saliti di livello e hanno esaminato l'elemento silicio.Si potrebbe dire che tutte le debolezze intrinseche del germanio sono i punti di forza intrinseci del silicio.

Il silicio è il secondo elemento più abbondante dopo l'ossigeno, ma praticamente non si trovano monomeri di silicio in natura;i suoi composti più comuni sono la silice e i silicati.Di questi, la silice è a sua volta uno dei componenti principali della sabbia.Inoltre, composti come feldspato, granito e quarzo sono tutti basati su composti di silice e ossigeno.

Il silicio è termicamente stabile, ha un ossido denso e ad alta costante dielettrica e può essere facilmente preparato con un'interfaccia silicio-ossido di silicio con pochissimi difetti interfacciali.

L'ossido di silicio è insolubile in acqua (l'ossido di germanio è solubile in acqua) e insolubile nella maggior parte degli acidi, il che è semplicemente un abbinamento perfetto per la tecnica di stampa a corrosione utilizzata per i circuiti stampati.Il prodotto di questa combinazione è il processo planare del circuito integrato che continua ancora oggi.