Invención del circuito integrado

El primer chip de circuito integrado (CI) monolítico planar se demostró en 1960. La idea de integrar circuitos electrónicos en un solo dispositivo nació cuando el físico e ingeniero alemán Werner Jacobi desarrolló y patentó el primer amplificador de transistores integrado conocido en 1949 y el ingeniero de radio británico Geoffrey Dummer propuso integrar una variedad de componentes electrónicos estándar en un cristal semiconductor monolítico en 1952. Un año después, Harwick Johnson presentó una patente para un prototipo de CI. Entre 1953 y 1957, Sidney Darlington y Yasuo Tarui ( Laboratorio Electrotécnico ) propusieron diseños de chips similares donde varios transistores podían compartir un área activa común, pero no había aislamiento eléctrico para separarlos entre sí.

Estas ideas no pudieron ser implementadas por la industria, hasta que se produjo un gran avance a finales de 1958. Tres personas de tres empresas estadounidenses resolvieron tres problemas fundamentales que obstaculizaban la producción de circuitos integrados. Jack Kilby , de Texas Instruments, patentó el principio de integración, creó los primeros prototipos de circuitos integrados y los comercializó. La invención de Kilby fue un circuito integrado híbrido (CI híbrido), en lugar de un chip de circuito integrado monolítico (CI monolítico). ^[1] Entre finales de 1958 y principios de 1959, Kurt Lehovec, de Sprague Electric Company, desarrolló una forma de aislar eléctricamente los componentes en un cristal semiconductor, utilizando el aislamiento de unión p–n .

El primer chip IC monolítico fue inventado por Robert Noyce de Fairchild Semiconductor . ^{[2] [3]} Inventó una forma de conectar los componentes del IC (metalización del aluminio) y propuso una versión mejorada del aislamiento basada en la tecnología de proceso planar desarrollada por Jean Hoerni . El 27 de septiembre de 1960, utilizando las ideas de Noyce y Hoerni, un grupo de Jay Last en Fairchild Semiconductor creó el primer IC semiconductor operativo. Texas Instruments, que poseía la patente de la invención de Kilby, inició una guerra de patentes, que se resolvió en 1966 mediante el acuerdo de licencia cruzada.

No hay consenso sobre quién inventó el CI. La prensa estadounidense de la década de 1960 nombró a cuatro personas: Kilby, Lehovec, Noyce y Hoerni; en la década de 1970 la lista se redujo a Kilby y Noyce. Kilby recibió el Premio Nobel de Física en 2000 "por su participación en la invención del circuito integrado". ^[4] En la década de 2000, los historiadores Leslie Berlin ^[a] , Bo Lojek ^[b] y Arjun Saxena ^[c] recuperaron la idea de múltiples inventores de CI y revisaron la contribución de Kilby. Los chips de CI modernos se basan en el CI monolítico de Noyce ^{[2] [3],} en lugar del CI híbrido de Kilby ^{[1] .}

Durante e inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial se observó un fenómeno llamado "la tiranía de los números", es decir, algunos dispositivos computacionales alcanzaron un nivel de complejidad en el que las pérdidas por fallas y tiempos de inactividad excedieron los beneficios esperados. ^[7] Cada Boeing B-29 (puesto en servicio en 1944) transportaba entre 300 y 1000 tubos de vacío y decenas de miles de componentes pasivos. ^[d] El número de tubos de vacío alcanzó miles en las computadoras avanzadas y más de 17 000 en el ENIAC (1946). ^[e] Cada componente adicional reducía la confiabilidad de un dispositivo y alargaba el tiempo de resolución de problemas. ^[7] La ​​electrónica tradicional llegó a un punto muerto y un mayor desarrollo de los dispositivos electrónicos requirió reducir el número de sus componentes.

La invención del primer transistor en 1947 dio lugar a la expectativa de una nueva revolución tecnológica. Los escritores de ficción y los periodistas anunciaron la inminente aparición de "máquinas inteligentes" y la robotización de todos los aspectos de la vida. ^[12] Aunque los transistores redujeron el tamaño y el consumo de energía, no pudieron resolver el problema de la fiabilidad de los dispositivos electrónicos complejos. Por el contrario, la densa densidad de componentes en dispositivos pequeños dificultaba su reparación. ^[7] Si bien la fiabilidad de los componentes discretos se llevó al límite teórico en la década de 1950, no hubo mejoras en las conexiones entre los componentes. ^[13]

Los primeros desarrollos del circuito integrado se remontan a 1949, cuando el ingeniero de Siemens Werner Jacobi ^[14] presentó una patente para un dispositivo amplificador de semiconductores similar a un circuito integrado ^[15] que mostraba cinco transistores sobre un sustrato común en una disposición de amplificador de 3 etapas con dos transistores trabajando "al revés" como convertidor de impedancia. Jacobi divulgó audífonos pequeños y baratos como aplicaciones industriales típicas de su patente. No se ha informado de un uso comercial inmediato de su patente.

El 7 de mayo de 1952, el ingeniero de radio británico Geoffrey Dummer formuló la idea de la integración en un discurso público en Washington:

Con la aparición del transistor y el trabajo en semiconductores en general, parece que ahora es posible concebir equipos electrónicos en un bloque sólido sin cables de conexión. El bloque puede estar formado por capas de materiales aislantes, conductores, rectificadores y amplificadores, y las funciones eléctricas se conectan mediante el corte de zonas de las distintas capas. ^{[16] [17]}

Dummer se hizo famoso más tarde como "el profeta de los circuitos integrados", pero no como su inventor. En 1956 produjo un prototipo de CI mediante el crecimiento a partir de la fusión, ^[16] pero su trabajo fue considerado poco práctico por el Ministerio de Defensa del Reino Unido debido al alto costo y los parámetros inferiores del CI en comparación con los dispositivos discretos. ^[18]

En mayo de 1952, Sidney Darlington presentó una solicitud de patente en los Estados Unidos para una estructura con dos o tres transistores integrados en un solo chip en varias configuraciones; en octubre de 1952, Bernard Oliver presentó una solicitud de patente para un método de fabricación de tres transistores planos conectados eléctricamente en un cristal semiconductor. ^{[19] [20]}

El 21 de mayo de 1953, Harwick Johnson presentó una solicitud de patente para un método de formación de varios componentes electrónicos (transistores, resistencias, capacitancias concentradas y distribuidas) en un solo chip. Johnson describió tres formas de producir un oscilador integrado de un transistor. Todas ellas utilizaban una tira estrecha de un semiconductor con un transistor bipolar en un extremo y diferían en los métodos de producción del transistor. La tira actuaba como una serie de resistencias; los condensadores concentrados se formaban por fusión, mientras que las uniones pn con polarización inversa actuaban como condensadores distribuidos. ^[21] Johnson no ofreció un procedimiento tecnológico y no se sabe si produjo un dispositivo real. En 1959, Jack Kilby implementó y patentó una variante de su propuesta. ^[19]

En 1957, Yasuo Tarui, del Laboratorio Electrotécnico del MITI , cerca de Tokio, fabricó un transistor " cuadrupolo ", una forma de transistor unipolar ( transistor de efecto de campo ) y un transistor de unión bipolar en el mismo chip. Estos primeros dispositivos presentaban diseños en los que varios transistores podían compartir un área activa común, pero no había aislamiento eléctrico para separarlos entre sí. ^[22]

Las principales empresas de electrónica de Estados Unidos ( Bell Labs , IBM , RCA y General Electric ) buscaron una solución a la "tiranía de los números" en el desarrollo de componentes discretos que implementaran una función dada con un número mínimo de elementos pasivos adjuntos. ^[23] Durante la era de los tubos de vacío, este enfoque permitió reducir el costo de un circuito a expensas de su frecuencia de operación. Por ejemplo, una celda de memoria de la década de 1940 consistía en dos triodos y una docena de componentes pasivos y funcionaba a frecuencias de hasta 200 kHz. Se podía lograr una respuesta de MHz con dos pentodos y seis diodos por celda. Esta celda podía reemplazarse por un tiratrón con una resistencia de carga y un condensador de entrada, pero la frecuencia de operación de dicho circuito no excedía de unos pocos kHz. ^[24]

En 1952, Jewell James Ebers de Bell Labs desarrolló un prototipo de estado sólido análogo del tiratrón: un transistor de cuatro capas o tiristor . ^[25] William Shockley simplificó su diseño a un "diodo de cuatro capas" de dos terminales ( diodo Shockley ) e intentó su producción industrial. ^[26] Shockley esperaba que el nuevo dispositivo reemplazara al relé polarizado en las centrales telefónicas ; ^[27] sin embargo, la confiabilidad de los diodos Shockley era inaceptablemente baja y su compañía entró en decadencia.

Al mismo tiempo, se llevaron a cabo trabajos sobre circuitos de tiristores en Bell Labs, IBM y RCA. Ian Munro Ross y L. Arthur D'Asaro (Bell Labs) experimentaron con celdas de memoria basadas en tiristores. ^[28] Joe Logue y Rick Dill (IBM) estaban construyendo contadores utilizando transistores de monounión. ^[29] J. Torkel Wallmark y Harwick Johnson (RCA) utilizaron tanto tiristores como transistores de efecto de campo . Los trabajos de 1955-1958 que utilizaron tiristores de germanio fueron infructuosos. ^[30] Solo en el verano de 1959, después de que las invenciones de Kilby, Lehovec y Hoerni se hicieran públicas, D'Asaro informó sobre un registro de desplazamiento operacional basado en tiristores de silicio. En este registro, un cristal que contenía cuatro tiristores reemplazó a ocho transistores, 26 diodos y 27 resistencias. El área de cada tiristor oscilaba entre 0,2 y 0,4 mm2 ^, con un espesor de aproximadamente 0,1 mm. Los elementos del circuito se aislaron mediante el grabado de ranuras profundas. ^{[28] [31]}

Desde el punto de vista de los partidarios de la electrónica funcional, la era de los semiconductores permitió a sus planteamientos sortear los problemas fundamentales de la tecnología de los semiconductores. ^[28] Los fracasos de Shockley, Ross y Wallmark demostraron la falacia de este planteamiento: la producción en masa de dispositivos funcionales se vio obstaculizada por barreras tecnológicas. ^[29]

Los primeros transistores estaban hechos de germanio . A mediados de la década de 1950, fue reemplazado por silicio , que podía funcionar a temperaturas más altas. En 1954, Gordon Kidd Teal de Texas Instruments produjo el primer transistor de silicio, que se comercializó en 1955. ^[32] También en 1954, Fuller y Dittsenberger publicaron un estudio fundamental de la difusión en silicio, y Shockley sugirió usar esta tecnología para formar uniones pn con un perfil dado de concentración de impurezas. ^[33]

A principios de 1955, Carl Frosch de Bell Labs desarrolló la oxidación húmeda del silicio, y en los dos años siguientes, Frosch, Moll, Fuller y Holonyak realizaron más investigaciones al respecto. ^{[34] [35]} En 1957, Frosch y Derick publicaron su trabajo sobre los primeros transistores de óxido semiconductor de dióxido de silicio fabricados; los primeros transistores planares, en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. ^{[36] Este descubrimiento accidental reveló la segunda ventaja fundamental del silicio sobre el germanio: al contrario de los óxidos de germanio,} la sílice "húmeda" es un aislante eléctrico físicamente fuerte y químicamente inerte.

La pasivación de la superficie , el proceso por el cual una superficie semiconductora se vuelve inerte y no cambia las propiedades del semiconductor como resultado de la interacción con el aire u otros materiales en contacto con la superficie o el borde del cristal, fue descubierta por primera vez por Carl Frosch y Lincoln Derick en Bell Labs entre 1955 y 1957. ^{[37] [38] [36]} Frosch y Derrick demostraron que un dióxido de silicio ( SiO
₂) capa protegía las obleas de silicio contra el medio ambiente, las enmascaraba contra la difusión de dopantes en el silicio y las aislaba eléctricamente y lo demostró creando los primeros transistores de dióxido de silicio, los primeros transistores en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la superficie aislada por un SiO
₂capa. ^[36]

En Bell Labs, la importancia de la técnica de Frosch se hizo evidente de inmediato. Los resultados del trabajo de Frosch y Derick circularon por Bell Labs en forma de memorandos BTL antes de ser publicados en 1957. En Shockley Semiconductor , Shockley había hecho circular la preimpresión de su artículo en diciembre de 1956 a todo su personal superior, incluido Jean Hoerni . ^{[39] [14] [22] [40]} Más tarde, Hoerni asistió a una reunión en la que Atalla presentó un artículo sobre pasivación basado en los resultados anteriores en Bell Labs. ^[40] Aprovechando el efecto pasivante del dióxido de silicio sobre la superficie del silicio, Hoerni propuso fabricar transistores que estuvieran protegidos por una capa de dióxido de silicio. ^[40]

Jean Hoerni fue el primero en proponer una tecnología planar de transistores bipolares. En este proceso, todas las uniones pn estaban cubiertas por una capa protectora, lo que debería mejorar significativamente la fiabilidad. Sin embargo, en aquel momento, esta propuesta se consideró técnicamente imposible. La formación del emisor de un transistor npn requería la difusión de fósforo, y el trabajo de Frosch sugirió que el SiO2 _no bloquea dicha difusión. ^[41] En marzo de 1959, Chih-Tang Sah , un antiguo colega de Hoerni, señaló a Hoerni y Noyce un error en las conclusiones de Frosch. Frosch utilizó una fina capa de óxido, mientras que los experimentos de 1957-1958 demostraron que una capa gruesa de óxido puede detener la difusión del fósforo. ^[42]

Armado con el conocimiento anterior, el 12 de marzo de 1959, Hoerni fabricó el primer prototipo de un transistor planar , ^[43] y el 1 de mayo de 1959, presentó una solicitud de patente para la invención del proceso planar. ^[41] En abril de 1960, Fairchild lanzó el transistor planar 2N1613, ^[44] y en octubre de 1960 abandonó por completo la tecnología del transistor mesa. ^[45] A mediados de la década de 1960, el proceso planar se había convertido en la principal tecnología para producir transistores y circuitos integrados monolíticos. ^[46]

La creación del circuito integrado se vio obstaculizada por tres problemas fundamentales, que fueron formulados por Wallmark en 1958: ^[47]

1. Integración. En 1958, no había forma de formar muchos componentes electrónicos diferentes en un solo cristal semiconductor. La aleación no era adecuada para el CI y la última tecnología de Mesa tenía serios problemas de fiabilidad.
2. Aislamiento. No existía tecnología para aislar eléctricamente los componentes de un cristal semiconductor.
3. Conexión. No existía ninguna manera eficaz de crear conexiones eléctricas entre los componentes de un circuito integrado, salvo la conexión extremadamente costosa y que consumía mucho tiempo, mediante cables de oro.

Ocurrió que tres empresas diferentes poseían las patentes clave para cada uno de estos problemas: Sprague Electric Company decidió no desarrollar circuitos integrados, Texas Instruments se limitó a un conjunto incompleto de tecnologías y sólo Fairchild Semiconductor combinó todas las técnicas necesarias para la producción comercial de circuitos integrados monolíticos.

En mayo de 1958, Jack Kilby, un experimentado ingeniero de radio y veterano de la Segunda Guerra Mundial, comenzó a trabajar en Texas Instruments. ^{[48] [49] [50]} Al principio, no tenía tareas específicas y tuvo que encontrar un tema adecuado en la dirección general de la "miniaturización". ^[49] Tenía la oportunidad de encontrar una dirección de investigación radicalmente nueva o integrarse en un proyecto multimillonario sobre la producción de circuitos militares. ^[48] En el verano de 1958, Kilby formuló tres características de la integración:

1. Lo único que una empresa de semiconductores puede producir con éxito son semiconductores.
2. Todos los elementos del circuito, incluidas resistencias y condensadores, pueden estar hechos de un semiconductor.
3. Todos los componentes del circuito se pueden formar en un cristal semiconductor, agregando solo las interconexiones.

El 28 de agosto de 1958, Kilby montó el primer prototipo de un CI usando componentes discretos y recibió la aprobación para implementarlo en un chip. Tuvo acceso a tecnologías que podían formar transistores mesa, diodos mesa y capacitores basados ​​en uniones pn en un chip de germanio (pero no de silicio), y el material a granel del chip podía usarse para resistencias. ^[48] El chip estándar de Texas Instruments para la producción de 25 (5×5) transistores mesa tenía un tamaño de 10×10 mm. Kilby lo cortó en tiras de cinco transistores de 10×1,6 mm, pero luego no usó más de dos de ellas. ^{[51] [52]} El 12 de septiembre, presentó el primer prototipo de CI, ^[48] que era un oscilador de un solo transistor con una retroalimentación RC distribuida, repitiendo la idea y el circuito de la patente de 1953 de Johnson. ^[17] El 19 de septiembre, hizo el segundo prototipo, un disparador de dos transistores. ^[53] Describió estos circuitos integrados, haciendo referencia a la patente de Johnson, en su patente estadounidense 3.138.743 .

Entre febrero y mayo de 1959 Kilby presentó una serie de solicitudes: patente estadounidense 3.072.832 , patente estadounidense 3.138.743 , patente estadounidense 3.138.744 , patente estadounidense 3.115.581 y patente estadounidense 3.261.081 . ^[54] Según Arjun Saxena, la fecha de solicitud de la patente clave 3.138.743 es incierta: si bien la patente y el libro de Kilby la fijan el 6 de febrero de 1959, ^[55] no pudo ser confirmada por los archivos de solicitudes de la oficina federal de patentes. Sugirió que la solicitud inicial se presentó el 6 de febrero y se perdió, y la nueva presentación (preservada) fue recibida por la oficina de patentes el 6 de mayo de 1959, la misma fecha que las solicitudes de las patentes 3.072.832 y 3.138.744. ^[56] Texas Instruments presentó las invenciones de Kilby al público el 6 de marzo de 1959. ^[57]

Ninguna de estas patentes resolvió el problema del aislamiento y la interconexión: los componentes se separaban cortando ranuras en el chip y se conectaban mediante cables de oro. ^[51] Por lo tanto, estos circuitos integrados eran de tipo híbrido en lugar de monolítico. ^[58] Sin embargo, Kilby demostró que se pueden formar varios elementos de circuito: componentes activos, resistencias, condensadores e incluso pequeñas inductancias en un chip. ^[51]

En otoño de 1958, Texas Instruments presentó la idea de Kilby, aún no patentada, a clientes militares. ^[48] Aunque la mayoría de las divisiones la rechazaron por no ser adecuada a los conceptos existentes, la Fuerza Aérea de los EE. UU. decidió que esta tecnología cumplía con su programa de electrónica molecular, ^{[48] [60]} y ordenó la producción de prototipos de circuitos integrados, que Kilby denominó "bloques electrónicos funcionales". ^[61] Westinghouse agregó epitaxia a la tecnología de Texas Instruments y recibió un pedido separado del ejército de los EE. UU. en enero de 1960. ^[62]

En abril de 1960, Texas Instruments anunció el multivibrador #502 como el primer circuito integrado del mundo disponible en el mercado. La compañía aseguró que, a diferencia de los competidores, ellos vendían su producto a un precio de 450 dólares estadounidenses por unidad o 300 dólares estadounidenses por cantidades superiores a 100 unidades. ^[61] Sin embargo, las ventas comenzaron recién en el verano de 1961, y el precio era más alto que el anunciado. ^[63] El esquema del #502 contenía dos transistores, cuatro diodos, seis resistencias y dos condensadores, y repetía el circuito discreto tradicional. ^[64] El dispositivo contenía dos tiras de Si de 5 mm de longitud dentro de una carcasa de metal-cerámica. ^[64] Una tira contenía condensadores de entrada; la otra alojaba transistores de mesa y diodos, y su cuerpo ranurado se usaba como seis resistencias. Los cables de oro actuaban como interconexiones. ^[65]

En octubre de 1961, Texas Instruments construyó para la Fuerza Aérea una "computadora molecular" de demostración con una memoria de 300 bits. ^{[66] [67]} El colega de Kilby, Harvey Cragon, empaquetó esta computadora en un volumen de poco más de 100 cm3 ^, utilizando 587 circuitos integrados para reemplazar alrededor de 8.500 transistores y otros componentes que serían necesarios para realizar la función equivalente. ^[66] En diciembre de 1961, la Fuerza Aérea aceptó el primer dispositivo analógico creado dentro del programa de electrónica molecular: un receptor de radio. ^[62] Utiliza circuitos integrados costosos, que tenían menos de 10-12 componentes y un alto porcentaje de dispositivos fallidos. Esto generó una opinión de que los circuitos integrados solo pueden justificarse para aplicaciones aeroespaciales. ^[68] Sin embargo, la industria aeroespacial rechazó esos circuitos integrados por la baja resistencia a la radiación de sus transistores de mesa. ^[61]

A finales de 1958, Kurt Lehovec, un científico que trabajaba en la Sprague Electric Company, asistió a un seminario en Princeton donde Wallmark expuso su visión de los problemas fundamentales de la microelectrónica. De regreso a Massachusetts, Lehovec encontró una solución sencilla al problema del aislamiento que utilizaba la unión pn: ^[69]

Es bien sabido que una unión pn tiene una alta impedancia a la corriente eléctrica, particularmente si está polarizada en la llamada dirección de bloqueo, o sin polarización aplicada. Por lo tanto, se puede lograr cualquier grado deseado de aislamiento eléctrico entre dos componentes ensamblados en la misma sección si se tiene una cantidad suficientemente grande de uniones pn en serie entre dos regiones semiconductoras en las que se ensamblan dichos componentes. Para la mayoría de los circuitos, una a tres uniones serán suficientes...

Lehovec probó su idea utilizando las tecnologías de fabricación de transistores que estaban disponibles en Sprague. Su dispositivo era una estructura lineal de 2,2 × 0,5 × 0,1 mm de tamaño, que se dividió en celdas de tipo n aisladas (bases de los futuros transistores) mediante uniones pn. Las capas y transiciones se formaron mediante el crecimiento a partir de la masa fundida. El tipo de conductividad se determinó mediante la velocidad de tracción del cristal: una capa de tipo p rica en indio se formó a una velocidad lenta, mientras que una capa de tipo n rica en arsénico se produjo a una velocidad alta. Los colectores y emisores de los transistores se crearon mediante la soldadura de perlas de indio. Todas las conexiones eléctricas se realizaron a mano, utilizando cables de oro. ^[70]

La dirección de Sprague no mostró ningún interés por la invención de Lehovec. No obstante, el 22 de abril de 1959, éste presentó una solicitud de patente a su propio cargo y abandonó los Estados Unidos durante dos años. Debido a esta desvinculación, Gordon Moore concluyó que Lehovec no debía ser considerado como inventor del circuito integrado. ^[71]

El 14 de enero de 1959, Jean Hoerni presentó su última versión del proceso planar a Robert Noyce y al abogado de patentes John Rallza en Fairchild Semiconductor. ^{[72] [73]} Un memorando de este evento por Hoerni fue la base de una solicitud de patente para la invención de un proceso planar , presentada en mayo de 1959, e implementada en la patente estadounidense 3.025.589 (el proceso planar) y la patente estadounidense 3.064.167 (el transistor planar). ^[74] El 20 de enero de 1959, los gerentes de Fairchild se reunieron con Edward Keonjian, el desarrollador de la computadora de a bordo para el cohete "Atlas", para discutir el desarrollo conjunto de circuitos integrados digitales híbridos para su computadora. ^[75] Estos eventos probablemente llevaron a Robert Noyce a regresar a la idea de la integración. ^[76]

El 23 de enero de 1959, Noyce documentó su visión del circuito integrado planar, reinventando esencialmente las ideas de Kilby y Lehovec sobre la base del proceso planar de Hoerni. ^[77] Noyce afirmó en 1976 que en enero de 1959 no conocía el trabajo de Lehovec. ^[78]

Como ejemplo, Noyce describió un integrador que discutió con Keonjian. ^{[77] [79]} Los transistores, diodos y resistencias de ese dispositivo hipotético estaban aislados entre sí por uniones pn, pero de una manera diferente a la solución de Lehovec. Noyce consideró el proceso de fabricación de CI de la siguiente manera. Debería comenzar con un chip de silicio intrínseco (sin dopar) altamente resistivo pasivado con una capa de óxido. El primer paso de fotolitografía tiene como objetivo abrir ventanas correspondientes a los dispositivos planificados y difundir impurezas para crear "pozos" de baja resistencia a través de todo el espesor del chip. Luego, se forman dispositivos planos tradicionales dentro de esos pozos. ^[80] Al contrario de la solución de Lehovec, este enfoque creó estructuras bidimensionales y ajustó un número potencialmente ilimitado de dispositivos en un chip.

Después de formular su idea, Noyce la dejó de lado durante varios meses debido a asuntos urgentes de la empresa y volvió a ella recién en marzo de 1959. ^[81] Le tomó seis meses preparar una solicitud de patente, que luego fue rechazada por la Oficina de Patentes de los Estados Unidos porque ya habían recibido la solicitud de Lehovec. ^[82] Noyce revisó su solicitud y en 1964 recibió la patente estadounidense 3.150.299 y la patente estadounidense 3.117.260 . ^{[83] [80]}

A principios de 1959, Noyce resolvió otro problema importante, el de las interconexiones que dificultaban la producción en masa de circuitos integrados. ^[84] Según los colegas de los ocho traidores , su idea era evidente: por supuesto, la capa de óxido pasivante forma una barrera natural entre el chip y la capa de metalización. ^[85] Según Turner Hasty, que trabajó con Kilby y Noyce, Noyce planeaba hacer que las patentes microelectrónicas de Fairchild fueran accesibles a una amplia gama de empresas, de forma similar a Bell Labs, que en 1951-1952 lanzó sus tecnologías de transistores. ^[86]

Noyce presentó su solicitud el 30 de julio de 1959 y el 25 de abril de 1961 recibió la patente estadounidense 2.981.877 . Según la patente, la invención consistía en conservar la capa de óxido, que separaba la capa de metalización del chip (excepto las áreas de la ventana de contacto), y en depositar la capa de metal de manera que se adhiriera firmemente al óxido. El método de deposición aún no se conocía y las propuestas de Noyce incluían la deposición al vacío de aluminio a través de una máscara y la deposición de una capa continua, seguida de fotolitografía y grabado del exceso de metal. Según Saxena, la patente de Noyce, con todos sus inconvenientes, refleja con precisión los fundamentos de las tecnologías de circuitos integrados modernas. ^[87]

En su patente, Kilby también menciona el uso de una capa de metalización. Sin embargo, Kilby prefería capas de revestimiento gruesas de diferentes metales (aluminio, cobre u oro dopado con antimonio) y monóxido de silicio en lugar de dióxido. Estas ideas no se adoptaron en la producción de circuitos integrados. ^[88]

En agosto de 1959, Noyce formó en Fairchild un grupo para desarrollar circuitos integrados. ^[89] El 26 de mayo de 1960, este grupo, dirigido por Jay Last, produjo el primer circuito integrado plano. Este prototipo no era monolítico: dos pares de sus transistores se aislaron cortando una ranura en el chip, ^[90] según la patente de Last. ^[91] Las etapas iniciales de producción repitieron el proceso plano de Hoerni. Luego, el cristal de 80 micrones de espesor se pegó, boca abajo, al sustrato de vidrio, y se realizó fotolitografía adicional en la superficie posterior. El grabado profundo creó una ranura hasta la superficie frontal. Luego, la superficie posterior se cubrió con una resina epoxi y el chip se separó del sustrato de vidrio. ^[92]

En agosto de 1960, Last comenzó a trabajar en el segundo prototipo, utilizando el aislamiento por unión pn propuesto por Noyce. Robert Norman desarrolló un circuito de disparo con cuatro transistores y cinco resistencias, mientras que Isy Haas y Lionel Kattner desarrollaron el proceso de difusión de boro para formar las regiones aislantes. El primer dispositivo operativo se probó el 27 de septiembre de 1960: fue el primer circuito integrado plano y monolítico. ^[90]

Fairchild Semiconductor no se dio cuenta de la importancia de este trabajo. El vicepresidente de marketing creía que Last estaba desperdiciando los recursos de la empresa y que el proyecto debía ser cancelado. ^[93] En enero de 1961, Last, Hoerni y sus colegas de los "ocho traidores" Kleiner y Roberts dejaron Fairchild y se dirigieron a Amelco. David Allison, Lionel Kattner y algunos otros tecnólogos dejaron Fairchild para fundar un competidor directo, la empresa Signetics . ^[94]

La primera orden de compra de circuitos integrados fue por 64 elementos lógicos a 1000 dólares cada uno, con muestras del empaquetado propuesto entregadas al MIT en 1960 y los 64 circuitos integrados de Texas Instruments en 1962. ^[95]

A pesar de la marcha de sus principales científicos e ingenieros, en marzo de 1961 Fairchild anunció su primera serie comercial de circuitos integrados, denominada "Micrologic", y después dedicó un año a crear una familia de circuitos integrados lógicos. ^[90] En ese momento, sus competidores ya producían circuitos integrados. Texas Instruments abandonó los diseños de circuitos integrados de Kilby y recibió un contrato para una serie de circuitos integrados planos para satélites espaciales y, después, para los misiles balísticos LGM-30 Minuteman . ^[67]

El Programa Apolo de la NASA fue el mayor consumidor individual de circuitos integrados entre 1961 y 1965. ^[95]

Mientras que los circuitos integrados para las computadoras de a bordo de la nave espacial Apolo fueron diseñados por Fairchild, la mayoría de ellos fueron producidos por Raytheon y Philco Ford . ^{[96] [67]} Cada una de estas computadoras contenía alrededor de 5.000 circuitos integrados lógicos estándar, ^[96] y durante su fabricación, el precio de un circuito integrado bajó de 1.000 dólares estadounidenses a 20-30 dólares estadounidenses. De esta manera, la NASA y el Pentágono prepararon el terreno para el mercado de circuitos integrados no militares. ^[97] Los primeros circuitos integrados monolíticos, incluidos todos los circuitos integrados lógicos en la computadora de guía Apolo , eran puertas NOR lógicas de resistencia-transistor de 3 entradas .

La lógica de resistencia-transistor de los primeros circuitos integrados de Fairchild y Texas Instruments era vulnerable a las interferencias electromagnéticas, por lo que en 1964 ambas compañías la reemplazaron por la lógica de diodo-transistor [91]. Signetics lanzó la familia de diodos-transistores Utilogic en 1962, pero se quedó atrás de Fairchild y Texas Instruments con la expansión de la producción. Fairchild fue el líder en el número de circuitos integrados vendidos entre 1961 y 1965, pero Texas Instruments estaba por delante en ingresos: 32% del mercado de circuitos integrados en 1964 en comparación con el 18% de Fairchild. ^[98]

Los circuitos integrados lógicos anteriores se construyeron a partir de componentes estándar, con tamaños y configuraciones definidos por el proceso tecnológico, y todos los diodos y transistores de un circuito integrado eran del mismo tipo. ^[99] El uso de diferentes tipos de transistores fue propuesto por primera vez por Tom Long en Sylvania durante 1961-1962.

En 1961, James L. Buie inventó la lógica transistor-transistor (TTL) . ^[100] A fines de 1962, Sylvania lanzó la primera familia de circuitos integrados de lógica transistor-transistor (TTL), que se convirtió en un éxito comercial. ^[101] Bob Widlar de Fairchild hizo un avance similar en 1964-1965 en circuitos integrados analógicos (amplificadores operacionales). ^[102] TTL se convirtió en la tecnología de circuitos integrados dominante durante la década de 1970 y principios de la de 1980. ^[100]

El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran la pasivación de la superficie por dióxido de silicio y usaran su hallazgo para crear los primeros transistores planares, los primeros transistores de efecto de campo en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. ^{[37] [36] [103] [104] [105] [106]} El MOSFET hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad . ^[107] Casi todos los CI modernos son circuitos integrados de metal-óxido-semiconductor (MOS), construidos a partir de MOSFET (transistores de efecto de campo de metal-óxido-silicio). ^[108] El primer CI MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. ^[109]

Más tarde, General Microelectronics introdujo el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, ^{[110] un} registro de desplazamiento de 120 transistores desarrollado por Robert Norman. ^[109] Desde entonces, el MOSFET se ha convertido en el componente de dispositivo más crítico en los circuitos integrados modernos. ^[108]

En los años 1959-1961, cuando Texas Instruments y Westinghouse trabajaron en paralelo en la "electrónica molecular" de la aviación, su competencia tenía un carácter amistoso. La situación cambió en 1962 cuando Texas Instruments comenzó a perseguir celosamente a los infractores reales e imaginarios de sus patentes y recibió los apodos de "la firma legal de Dallas" ^[111] y "los vaqueros de los semiconductores". ^[112] Este ejemplo fue seguido por otras compañías. ^[111] Sin embargo, la industria de los circuitos integrados continuó desarrollándose a pesar de las disputas sobre patentes. ^[113] A principios de la década de 1960, el Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos dictaminó que Noyce era el inventor del chip de circuito integrado monolítico basado en tecnologías de óxido adherente y aislamiento de uniones . ^[114]

Texas Instruments contra Westinghouse

En 1962-1963, cuando estas empresas habían adoptado el proceso planar, el ingeniero de Westinghouse Hung-Chang Lin inventó el transistor lateral. En el proceso planar habitual, todos los transistores tienen el mismo tipo de conductividad, normalmente npn, mientras que la invención de Lin permitió la creación de transistores npn y pnp en un solo chip. ^[115] Los pedidos militares que Texas Instruments esperaba fueron para Westinghouse. TI presentó una demanda, que se resolvió extrajudicialmente. ^[116]

Texas Instruments contra Sprague

El 10 de abril de 1962, Lehovec recibió una patente para el aislamiento por unión pn. Texas Instruments presentó inmediatamente una demanda judicial alegando que el problema del aislamiento se había resuelto en su patente anterior presentada por Kilby. Robert Sprague, el fundador de Sprague, consideró que el caso era desesperado y estaba a punto de renunciar a los derechos de patente, pero Lehovec lo convenció de lo contrario. Cuatro años más tarde, Texas Instruments organizó en Dallas una audiencia de arbitraje con demostraciones de las invenciones de Kilby y declaraciones de expertos. Sin embargo, Lehovec demostró de manera concluyente que Kilby no mencionó el aislamiento de componentes. Su prioridad sobre la patente de aislamiento fue finalmente reconocida en abril de 1966. ^[117]

Raytheon contra Fairchild

El 20 de mayo de 1962, Jean Hoerni, que ya había dejado Fairchild, recibió la primera patente sobre la tecnología planar. Raytheon creyó que Hoerni repetía la patente que tenían Jules Andrews y Raytheon y presentó una demanda judicial. Si bien los procesos de fotolitografía, difusión y grabado parecían similares, el enfoque de Andrews tenía un defecto fundamental: implicaba la eliminación completa de la capa de óxido después de cada difusión. Por el contrario, en el proceso de Hoerni se conservaba el óxido "sucio". Raytheon retiró su reclamación y obtuvo una licencia de Fairchild. ^[74]

Hughes contra Fairchild

Hughes Aircraft demandó a Fairchild argumentando que sus investigadores habían desarrollado el proceso de Hoerni con anterioridad. Según los abogados de Fairchild, este caso carecía de fundamento, pero podría llevar varios años, durante los cuales Fairchild no podría vender la licencia del proceso de Hoerni. Por lo tanto, Fairchild optó por llegar a un acuerdo extrajudicial con Hughes. Hughes adquirió los derechos sobre uno de los diecisiete puntos de la patente de Hoerni y luego lo intercambió por un pequeño porcentaje de los futuros ingresos por licencias de Fairchild. ^[74]

Texas Instruments contra Fairchild

En sus guerras legales, Texas Instruments se centró en su mayor competidor y tecnológicamente más avanzado, Fairchild Semiconductor. Sus casos no obstaculizaron la producción en Fairchild, sino la venta de licencias para sus tecnologías. En 1965, la tecnología planar de Fairchild se convirtió en el estándar de la industria, pero la licencia de las patentes de Hoerni y Noyce fue adquirida por menos de diez fabricantes, y no había mecanismos para perseguir la producción sin licencia. ^[113] De manera similar, las patentes clave de Kilby no generaban ingresos para Texas Instruments. En 1964, el arbitraje de patentes otorgó a Texas Instruments los derechos sobre cuatro de las cinco disposiciones clave de las patentes impugnadas, ^[118] pero ambas compañías apelaron la decisión. ^[119] El litigio podría continuar durante años, si no fuera por la derrota de Texas Instruments en la disputa con Sprague en abril de 1966. Texas Instruments se dio cuenta de que no podía reclamar prioridad para todo el conjunto de patentes clave de circuitos integrados, y perdió interés en la guerra de patentes. ^[120] En el verano de 1966, ^[119] Texas Instruments y Fairchild acordaron el reconocimiento mutuo de patentes y la concesión de licencias cruzadas de patentes clave; en 1967 se les unió Sprague. ^[120]

Japón contra Fairchild

A principios de los años 1960, tanto Fairchild como Texas Instruments intentaron establecer la producción de circuitos integrados en Japón, pero se encontraron con la oposición del Ministerio de Comercio Internacional e Industria de Japón (MITI). En 1962, el MITI prohibió a Fairchild realizar más inversiones en la fábrica que ya habían comprado en Japón, y Noyce intentó entrar en el mercado japonés a través de la corporación NEC. ^[121] En 1963, la dirección de NEC presionó a Fairchild para que aceptara condiciones de licencia extremadamente ventajosas para Japón, lo que limitó fuertemente las ventas de Fairchild en el mercado japonés. ^[122] Sólo después de cerrar el trato, Noyce se enteró de que el presidente de NEC también presidía el comité del MITI que bloqueaba los tratos con Fairchild. ^[123]

Japón contra Texas Instruments

En 1963, a pesar de la experiencia negativa con NEC y Sony, Texas Instruments intentó establecer su producción en Japón. ^[124] Durante dos años el MITI no dio una respuesta definitiva a la solicitud, y en 1965 Texas Instruments tomó represalias amenazando con un embargo a la importación de equipos electrónicos que infringieran sus patentes. Esta acción afectó a Sony en 1966 y a Sharp en 1967, ^[125] lo que llevó al MITI a buscar en secreto un socio japonés para Texas Instruments. El MITI bloqueó las negociaciones entre Texas Instruments y Mitsubishi (el propietario de Sharp), y persuadió a Akio Morita para que hiciera un trato con Texas Instruments "por el futuro de la industria japonesa". ^[126] A pesar de los protocolos secretos que garantizaban a los estadounidenses una participación en Sony, el acuerdo de 1967-1968 fue extremadamente desventajoso para Texas Instruments. ^[127] Durante casi treinta años, las empresas japonesas produjeron circuitos integrados sin pagar regalías a Texas Instruments, y recién en 1989 el tribunal japonés reconoció los derechos de patente de la invención de Kilby. ^[128] Como resultado, en la década de 1990, todos los fabricantes japoneses de circuitos integrados tuvieron que pagar por la patente de 30 años de antigüedad o firmar acuerdos de licencia cruzada. En 1993, Texas Instruments ganó 520 millones de dólares en derechos de licencia, principalmente de empresas japonesas. ^[129]

Durante las guerras de patentes de los años 1960, la prensa y la comunidad profesional de los Estados Unidos reconocieron que el número de inventores de circuitos integrados podía ser bastante grande. El libro "Golden Age of Entrepreneurship" nombró a cuatro personas: Kilby, Lehovec, Noyce y Hoerni. ^[130] Sorab Ghandhi, en "Theory and Practice of Microelectronics" (1968), escribió que las patentes de Lehovec y Hoerni fueron el punto culminante de la tecnología de semiconductores de los años 1950 y abrieron el camino para la producción en masa de circuitos integrados. ^[131]

En octubre de 1966, Kilby y Noyce recibieron la Medalla Ballantine del Instituto Franklin "por su contribución significativa y esencial al desarrollo de los circuitos integrados". ^[119] Este evento inició la idea de dos inventores. La nominación de Kilby fue criticada por sus contemporáneos que no reconocían sus prototipos como circuitos integrados semiconductores "reales". Aún más controvertida fue la nominación de Noyce: la comunidad de ingenieros era muy consciente del papel de Moore, Hoerni y otros inventores clave, mientras que Noyce en el momento de su invención era el director ejecutivo de Fairchild y no participó directamente en la creación del primer circuito integrado. ^[119] El propio Noyce admitió: "Estaba tratando de resolver un problema de producción. No estaba tratando de hacer un circuito integrado". ^[132]

Según Leslie Berlin, Noyce se convirtió en el "padre del circuito integrado" debido a las guerras de patentes. Texas Instruments eligió su nombre porque figuraba en la patente que impugnaban y, por lo tanto, lo "designaron" como único representante de todo el trabajo de desarrollo en Fairchild. ^[133] A su vez, Fairchild movilizó todos sus recursos para proteger a la empresa y, por lo tanto, la prioridad de Noyce. ^[134] Mientras Kilby participó personalmente en las campañas de relaciones públicas de Texas Instruments, Noyce se mantuvo alejado de la publicidad y fue reemplazado por Gordon Moore. ^[135]

A mediados de los años 1970, la versión de los dos inventores fue ampliamente aceptada, y los debates entre Kilby y Lehovec en revistas profesionales en 1976-1978 no cambiaron la situación. Hoerni, Last y Lehovec eran considerados actores menores; no representaban a grandes corporaciones y no estaban interesados ​​en debates públicos sobre prioridades. ^[136]

En los artículos científicos de la década de 1980, la historia de la invención de los circuitos integrados se presentaba a menudo de la siguiente manera:

Mientras estaba en Fairchild, Noyce desarrolló el circuito integrado. El mismo concepto había sido inventado por Jack Kilby en Texas Instruments en Dallas unos meses antes. En julio de 1959, Noyce presentó una patente para su concepción del circuito integrado. Texas Instruments presentó una demanda por interferencia de patentes contra Noyce y Fairchild, y el caso se alargó durante algunos años. Hoy en día, Noyce y Kilby suelen ser considerados co-inventores del circuito integrado, aunque Kilby fue incluido en el Salón de la Fama de los Inventores como inventor. En cualquier caso, a Noyce se le atribuye el mérito de mejorar el circuito integrado para sus muchas aplicaciones en el campo de la microelectrónica. ^[137]

En 1984, la versión de los dos inventores fue apoyada por Thomas Reid en "The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution". ^[138] Robert Wright del New York Times criticó a Reid por una larga descripción de los personajes secundarios involucrados en la invención, ^[139] pero no se mencionaron las contribuciones de Lehovec y Last, y Jean Hoerni aparece en el libro solo como un teórico que consultó a Noyce. ^[138]

Paul Ceruzzi en "A History of Modern Computing" (2003) también repitió la historia de los dos inventores y estipuló que "su invención, bautizada primero como Micrologic, luego como Circuito Integrado de Fairchild, fue simplemente otro paso en este camino" (de miniaturización exigida por los programas militares de los años 1950). ^[140] Refiriéndose a la opinión predominante en la literatura, presentó la decisión de Noyce de utilizar el proceso planar de Hoerni, quien allanó el camino para la producción en masa de circuitos integrados, pero no fue incluido en la lista de inventores de circuitos integrados. ^[141] Ceruzzi no cubrió la invención del aislamiento de los componentes de los circuitos integrados.

En 2000, el Comité Nobel concedió el Premio Nobel de Física a Kilby "por su participación en la invención del circuito integrado". ^[4] Noyce murió en 1990 y, por tanto, no pudo ser nominado; cuando se le preguntó durante su vida sobre las perspectivas del Premio Nobel, respondió: "No dan premios Nobel por ingeniería o trabajo real". ^[142] Debido a la confidencialidad del procedimiento de nominación del Nobel, no se sabe si se habían tenido en cuenta otros inventores de circuitos integrados. Saxena argumentó que la contribución de Kilby fue pura ingeniería en lugar de ciencia básica, y por tanto su nominación violó la voluntad de Alfred Nobel. ^[143]

La versión de dos inventores persistió hasta la década de 2010. ^[144] Su variación coloca a Kilby al frente y considera a Noyce como un ingeniero que mejoró la invención de Kilby. ^[145] Fred Kaplan en su popular libro "1959: El año en que todo cambió" (2010) dedica ocho páginas a la invención del CI y se la asigna a Kilby, ^[146] mencionando a Noyce solo en una nota al pie ^[147] y descuidando a Hoerni y Last.

A finales de los años 1990 y en los años 2000, una serie de libros presentaron la invención del circuito integrado más allá de la historia simplificada de dos personas. En 1998, Michael Riordan y Lillian Hoddson detallaron los acontecimientos que llevaron a la invención de Kilby en "Crystal Fire: The Birth of the Information Age". Sin embargo, se detuvieron en esa invención. ^[148] En su biografía de Robert Noyce de 2005, Leslie Berlin incluyó los eventos que se desarrollaron en Fairchild y evaluó críticamente la contribución de Kilby. Según Berlin, los cables de conexión "impidieron que el dispositivo se fabricara en cualquier cantidad", algo de lo que "Kilby era muy consciente". ^{[149] [84]}

En 2007, Bo Lojek se opuso a la versión de los dos inventores; ^[150] describió las contribuciones de Hoerni y Last, y criticó a Kilby. ^[151] En 2009, Saxena describió el trabajo de Lehovec y Hoerni. También restó importancia al papel de Kilby y Noyce. ^[152]

• Historia del circuito integrado

• Berlín, L. (2005). El hombre detrás del microchip: Robert Noyce y la invención de Silicon Valley . Nueva York: Oxford University Press. ISBN 978-0-199-83977-3.
• Brock, D. (2010). Lécuyer, C.; et al. (eds.). Los creadores del microchip: una historia documental de Fairchild Semiconductor. MIT Press. ISBN 978-0-262-01424-3.
• Ceruzzi, PE (2003). Una historia de la informática moderna . MIT Press. ISBN 978-0-262-53203-7.
• Flamm, K (1996). Comercio mal gestionado: política estratégica y la industria de semiconductores. Brookings Institution Press. ISBN 978-0-815-72846-7.
• Hubner, Kurt (1998). "El diodo de cuatro capas en la cuna de Silicon Valley". En Tsuya, H.; Huff, Howard R.; GöSele, U. (eds.). Ciencia y tecnología de materiales de silicio: Actas del octavo simposio internacional sobre ciencia y tecnología de materiales de silicio . The Electrochemical Society. págs.  99– 115. ISBN 978-1-566-77193-1.
• Kaplan, F. (2010). 1959: El año en que todo cambió. Wiley. ISBN 978-0-470-60203-4.
• Kilby, J. (1976). "Invención del circuito integrado" (PDF) . IEEE Transactions on Electron Devices . 23 (7): 648– 654. Bibcode :1976ITED...23..648K. doi :10.1109/t-ed.1976.18467. S2CID  19598101. Archivado desde el original (PDF) el 2016-03-04.
• Kilby, Jack S. (8 de diciembre de 2000). "Convertir el potencial en realidades: la invención del circuito integrado" (PDF) . En Gösta Ekspong (ed.). Nobel Lectures, Physics 1996-2000 . Singapur: World Scientific Publishing Co. (publicado en 2002). págs.  474– 485.
• Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores. Springer. ISBN 978-3-540-34257-1.Archivo de Internet Libro electrónico ISBN 978-3-540-34258-8 . 
• Sah, Chih-Tang (octubre de 1988). "Evolución del transistor MOS: desde su concepción hasta el VLSI" (PDF) . Actas del IEEE . 76 (10): 1280– 1326. Bibcode :1988IEEEP..76.1280S. doi :10.1109/5.16328. ISSN  0018-9219.
• Saxena, A. (2009). Invención de circuitos integrados: hechos importantes no contados. Serie internacional sobre avances en electrónica y tecnología de estado sólido. World Scientific. ISBN 978-9-812-81445-6.