Componentes electrónicos nuevos y originales de los chips CI del circuito integrado TPA3116D2DADR

En los primeros días del chip semiconductor, el silicio no era el protagonista principal, sino el germanio.El primer transistor fue un transistor basado en germanio y el primer chip de circuito integrado fue un chip de germanio.
El primer transistor fue inventado por Bardeen y Bratton, quienes inventaron el transistor bipolar (BJT).Shockley inventó el primer diodo de unión P/N e, inmediatamente, este tipo de unión diseñado por Shockley se convirtió en la estructura estándar para el BJT y está en servicio hoy en día.Los tres también recibieron el Premio Nobel de Física ese año en 1956.
Un transistor puede entenderse simplemente como un interruptor en miniatura.Dependiendo de las propiedades del semiconductor, se puede formar un semiconductor de tipo N dopando el semiconductor con fósforo y un semiconductor de tipo P con boro.La combinación de semiconductores tipo N y tipo P forma la unión PN, una estructura importante en los chips electrónicos;esto permite realizar operaciones lógicas específicas (como con puertas, puertas o, sin puertas, etc.)
El germanio, sin embargo, tiene algunos problemas muy difíciles, como los numerosos defectos de interfaz en el semiconductor, la mala estabilidad térmica y la falta de óxidos densos.Además, el germanio es un elemento raro, con sólo 7 partes por millón en la corteza terrestre, y los minerales de germanio también se encuentran muy dispersos.Debido a que el germanio es muy escaso y no está concentrado, el coste de las materias primas del germanio sigue siendo elevado;Las cosas son raras y el alto costo de las materias primas hace que los transistores de germanio no sean más baratos, por lo que es difícil producir transistores de germanio a gran escala.

Por lo tanto, los investigadores subieron un nivel y observaron el elemento silicio.Se podría decir que todas las deficiencias inherentes del germanio son ventajas inherentes del silicio.

El silicio es el segundo elemento más abundante después del oxígeno, pero básicamente no se pueden encontrar monómeros de silicio en la naturaleza;sus compuestos más comunes son la sílice y los silicatos.De estos, la sílice es a su vez uno de los principales componentes de la arena.Además, compuestos como el feldespato, el granito y el cuarzo se basan todos en compuestos de sílice y oxígeno.

El silicio es térmicamente estable, tiene un óxido denso y de alta constante dieléctrica y se puede preparar fácilmente con una interfaz de silicio-óxido de silicio con muy pocos defectos interfaciales.

El óxido de silicio es insoluble en agua (el óxido de germanio es soluble en agua) e insoluble en la mayoría de los ácidos, lo que es simplemente una combinación perfecta para la técnica de impresión por corrosión utilizada en las placas de circuito impreso.El producto de esta combinación es el proceso plano para circuitos integrados que continúa hasta el día de hoy.
columnas de cristal de silicio

El viaje del silicio a la cima
Una empresa fallida: Se dice que Shockley vio una enorme oportunidad de mercado en un momento en que nadie había logrado todavía fabricar un transistor de silicio;por eso dejó los Laboratorios Bell en 1956 para fundar su propia empresa en California.Desafortunadamente, Shockley no era un buen empresario y su gestión empresarial era una tontería en comparación con sus habilidades académicas.Así que el propio Shockley no cumplió la ambición de sustituir el germanio por silicio, y el escenario para el resto de su vida fue el podio de la Universidad de Stanford.Un año después de su fundación, los ocho jóvenes talentos que había reclutado desertaron en masa, y fueron los "ocho traidores" quienes debían completar la ambición de sustituir el germanio por silicio.

El auge del transistor de silicio

Antes de que los Ocho Renegados fundaran Fairchild Semiconductor, los transistores de germanio eran el mercado dominante de transistores, con casi 30 millones de transistores fabricados en los Estados Unidos en 1957, sólo un millón de transistores de silicio y casi 29 millones de transistores de germanio.Con una cuota de mercado del 20%, Texas Instruments se convirtió en el gigante del mercado de transistores.
Ocho renegados y Fairchild Semiconductor

Los mayores clientes del mercado, el gobierno y el ejército de EE.UU., quieren utilizar los chips en grandes cantidades en cohetes y misiles, aumentando la valiosa carga de lanzamiento y mejorando la fiabilidad de los terminales de control.Pero los transistores también enfrentarán duras condiciones de funcionamiento causadas por altas temperaturas y vibraciones violentas.

El germanio es el primero en perder en lo que respecta a la temperatura: los transistores de germanio pueden soportar temperaturas de sólo 80°C, mientras que los requisitos militares son un funcionamiento estable incluso a 200°C.Sólo los transistores de silicio pueden soportar esta temperatura.
El transistor de silicio tradicional

Fairchild inventó el proceso de fabricar transistores de silicio, haciéndolos tan simples y eficientes como los libros impresos y mucho más baratos que los transistores de germanio en términos de precio.El proceso de Fairchild para fabricar transistores de silicio es el siguiente.

En primer lugar, se dibuja a mano un diseño, a veces tan grande que ocupa una pared, y luego el dibujo se fotografía y se reduce a una pequeña hoja translúcida, a menudo con dos carriles de tres hojas, cada una de las cuales representa una capa de circuitos.

En segundo lugar, se aplica una capa de material sensible a la luz a la oblea de silicio lisa cortada y pulida, y se utiliza UV/láser para proteger el patrón del circuito de la hoja de transiluminación sobre la oblea de silicio.

En tercer lugar, las áreas y líneas en la parte oscura de la lámina de transiluminación dejan patrones no expuestos en la oblea de silicio;Estos patrones no expuestos se limpian con una solución ácida y se agregan impurezas semiconductoras (técnica de difusión) o se recubren los conductores metálicos.

En cuarto lugar, repitiendo los tres pasos anteriores para cada oblea translúcida, se pueden obtener grandes cantidades de transistores en obleas de silicio, que son cortadas por trabajadoras bajo un microscopio y luego conectadas a cables, luego empaquetadas, probadas y vendidas.

Con los transistores de silicio disponibles en grandes cantidades, los ocho fundadores renegados de Fairchild se encontraban entre las empresas que podían estar al lado de gigantes como Texas Instruments.

El empujón importante - Intel
Fue la posterior invención del circuito integrado lo que resumió el dominio del germanio.En aquel momento existían dos líneas tecnológicas, una para circuitos integrados en chips de germanio de Texas Instruments y otra para circuitos integrados en chips de silicio de Fairchild.Al principio, las dos empresas tuvieron una feroz disputa sobre la propiedad de las patentes de los circuitos integrados, pero luego la Oficina de Patentes reconoció la propiedad de las patentes de los circuitos integrados de ambas empresas.
Sin embargo, a medida que el proceso de Fairchild fue más avanzado, se convirtió en el estándar para los circuitos integrados y continúa utilizándose en la actualidad.Más tarde, Noyce, el inventor del circuito integrado, y Moore, el inventor de la Ley de Moore, abandonaron Centron Semiconductor, quienes, dicho sea de paso, ambos eran miembros de los "Ocho Traidores".Junto con Grove, crearon lo que hoy es la empresa de chips semiconductores más grande del mundo: Intel.
Los tres fundadores de Intel, de izquierda a derecha: Grove, Noyce y Moore

En desarrollos posteriores, Intel impulsó los chips de silicio.Ha vencido a gigantes como Texas Instruments, Motorola e IBM para convertirse en el rey del sector de CPU y almacenamiento de semiconductores.

Cuando Intel se convirtió en el actor dominante en la industria, el silicio también acabó con el germanio, y lo que una vez fue Santa Clara Valley pasó a llamarse "Silicon Valley".Desde entonces, los chips de silicio se han convertido en el equivalente de los chips semiconductores en la percepción pública.

El germanio, sin embargo, tiene algunos problemas muy difíciles de resolver, como los numerosos defectos de interfaz de los semiconductores, la mala estabilidad térmica y la falta de óxidos densos.Además, el germanio es un elemento raro, con sólo 7 partes por millón en la corteza terrestre, y los minerales de germanio también se encuentran muy dispersos.Debido a que el germanio es muy escaso y no está concentrado, el coste de las materias primas del germanio sigue siendo elevado;Las cosas son raras y el alto costo de las materias primas hace que los transistores de germanio no sean más baratos, por lo que es difícil producir transistores de germanio a gran escala.

Por lo tanto, los investigadores subieron un nivel y observaron el elemento silicio.Se podría decir que todas las debilidades inherentes del germanio son las fortalezas inherentes del silicio.

El silicio es el segundo elemento más abundante después del oxígeno, pero básicamente no se pueden encontrar monómeros de silicio en la naturaleza;sus compuestos más comunes son la sílice y los silicatos.De estos, la sílice es a su vez uno de los principales componentes de la arena.Además, compuestos como el feldespato, el granito y el cuarzo se basan todos en compuestos de sílice y oxígeno.

El silicio es térmicamente estable, tiene un óxido denso y de alta constante dieléctrica y se puede preparar fácilmente con una interfaz de silicio-óxido de silicio con muy pocos defectos interfaciales.

El óxido de silicio es insoluble en agua (el óxido de germanio es soluble en agua) e insoluble en la mayoría de los ácidos, lo que es simplemente una combinación perfecta para la técnica de impresión por corrosión utilizada en las placas de circuito impreso.El producto de esta combinación es el proceso plano del circuito integrado que continúa hasta el día de hoy.