Istoria microelectronicii

ISTORIA MICROELECTRONICII

Siliciul

Timp de mii de ani, lumea a considerat ca materia este formata din patru ele- mente fundamentale: pamant, apa, aer si foc. Cel care a demolat acest concept a fost Antoine Lavoisier, remarcabil chimist, dar si un bun administrator aflat in slujba monarhiei franceze. El a reusit sa demonstreze ca substantele sunt combinatii ale unor elemente de baza, in mod special metale, oxigen si sulf. In 1789, anul revolutiei franceze, Lavoisier a simtit prezenta siliciului in nisip. El a afirmat ca oxigenul plus un element necunoscut formeaza cuartul. Nu a apucat sa afle despre ce element este vorba, pentru ca a murit ghilotinat.

Mai tarziu, in 1824, suedezul Jacob Berzelius a separat chimic siliciul, demon- strand ca elementul cuart reprezinta, de fapt, compusul SiO₂. Pentru a putea preciza daca siliciul este metal sau izolator a fost nevoie sa mai treaca inca 120 de ani, pana cand acesta a devenit materialul cel mai utilizat in realizarea dispozitivelor electronice.

Undele electromagnetice

In 1865, James Maxwell descopera ca lumina se propaga in spatiu prin unde electromagnetice cu lungimi de unda de ordinul micronilor. El da forma unificata a ecuatiilor electromagnetismului, schimband radical cursul istoriei omenirii. Scotianul Maxwell, nascut la Edinburgh in 1831, a fost, probabil, cel mai sclipitor om de stiinta al tuturor timpurilor. Putin inteles in epoca sa, el are o existenta zbuciumata. Ramas de timpuriu orfan, Maxwell este crescut de un tutore care il considera retardat mintal, iar scoala il va trata la fel, nepricepand preocuparile sale. Moare, la 48 de ani, si nu apuca sa-si aplice in practica ideile.

In urma sa, studentul german Heinrich Hertz raspunde provocarii lansate de profesorul Herman von Helmolz si realizeaza in 1887, in conditii de laborator, unde electromagnetice cu lungimi de unda l = 1m si l = 1cm. Principiul antenei fiind astfel descoperit, drumul telecomunicatiilor este de acum deschis.

Telegrafia fara fir

In 1896, tanarul italian Guglielmo Marconi, in varsta de 22 de ani, breveteaza telegrafia fara fir. Marconi convinge Imperiul Britanic aflat in plina expansiune, dar cu mari probleme de comunicare la distanta sa-i preia inventia. In 1909 primeste Pre - miul Nobel pentru fizica, iar Italia ii va oferi in continuare toate onorurile posibile. Participa, in 1919, la Conferinta de Pace de la Paris, unde se traseaza noile granite ale Romaniei. Delegatia romana cuprindea, printre altii, pe Alexandru Vaida Voevod, Cornelia Blaga - Bredicianu, Traian Vuia, Ion Pillat.

Pentru a fi aplicata, descoperirea lui Marconi cerea rezolvarea urgenta a doua probleme tehnice: (1) un dispozitiv de amplificare a semnalului electromagnetic; (2) un dispozitiv de redresare, elementele mecanice ale sistemului de receptie neputand urmari frecventa inalta a semnalului emis. Pe acest drum, indianul J. C. Bose paten- teaza, in 1901, galena (PbS), ca element pentru redresarea semnalului. Avem de-a face cu un precursor empiric si timpuriu al diodei semiconductoare. Englezul John Fleming descopera, in 1904, dioda cu vid, ca element redresor. Tehnica vidului fiind slab dez- voltata in acea perioada, tubul cu vid nu reuseste sa se impuna in fata galenei. In 1907 apare si dispozitivul de amplificare a semnalului. El este trioda cu vid, brevetata de americanul Lee de Forest. Fata lumii se va schimba complet. Radioul, televizorul, radarul, telefonul, calculatorul mijesc la orizont.

Radioul si televiziunea

Prima statie comerciala radio a inceput sa functioneze in 1920 la Pittsburgh - SUA. In 1927, va fi creata Societatea Romana de Radiodifuziune. Doi rusi albi, Vladimir Zvorkin si Isaac Shoenberg, unul emigrat in SUA, celalalt in Anglia, vor pune bazele televiziunii moderne. Zvorkin breveteaza, in 1929, tubul cinescop. In 1936 apare primul post TV din lume, BBC Londra. Prima transmisie TV realizata cu o camera de reportaj mobila a fost cea a incoronarii regelui George al VI-lea din Hyde Park, in noiembrie 1937. In Romania, TVR va incepe sa emita in 1956. Primul post TV color din Europa a fost tot BBC Londra, in 1967.

Este epoca electronicii tuburilor cu vid, nivelul de dezvoltare al fizicii din acea perioada nepermitand abordarea electronicii corpului solid. Acest lucru a fost posibil abia din anii 1925 - 1930, dupa ce Schrödinger, Bohr, de Broglie, Born, Dirac, Fermi, Pauli, Heisenberg, prin cercetari independente, au pus bazele mecanicii cuantice. Noul domeniu al fizicii ramane un apanaj al europenilor pana in 1933, cand Hitler devine cancelarul Germaniei. Urmeaza un exod masiv al evreilor din Europa continentala pleaca Einstein, Bethe, Bloch, Wigner, von Neumann. Prin plecarea lor, Germania inceteaza sa mai fie centrul cercetarii stiintifice, locul ei fiind preluat de universitatile Princeton si MIT din SUA. Scoala de mecanica cuantica dezvoltata in jurul acestor universitati va forma viitorii specialisti americani, pionieri ai microelectronicii.

Radarul

La 1 septembrie 1939, Germania invadeaza Polonia, declansand al doilea razboi mondial. In vara anului 1940, Anglia incepe sa fie bombardata, iar in decembrie 1941 flota americana este atacata de japonezi la Pearl Harbor, obligand SUA sa intre in razboi. Problema detectarii de la distanta a avioanelor inamice devine extrem de importanta.

Germanul Hans Hollmann realizase, inca din anii 1935 primul sistem radar in regim pulsat si, in 1940, el incearca fara succes sa-l convinga pe Hermann Göring, seful aviatiei germane, sa instaleze sisteme radar pe avioanele de lupta. Fost pilot de elita in primul razboi mondial, Göring nu putea concepe ca o instalatie electronica poate fi superioara unui pilot german. Trufia il va face sa piarda batalia aeriana pentru Anglia, tara ce decisese, inca din 1937, dezvoltarea unor programe de cercetare pentru miniaturizarea instalatiilor radar si montarea lor pe avioanele de lupta. Programele respective s-au realizat in comun cu laboratoarele din SUA si au adus in prim-plan siliciul, ca element de baza pentru miniaturizare.

Tranzistorul lui William Shockley

Doua lucrari stiintifice importante au deschis definitiv drumul catre cunoasterea proceselor fizice din corpul solid: (1) teza de doctorat a lui Louis de Broglie, din 1924, care introducea conceptul de dualitate unda - particula; (2) teoria benzilor de energie, elaborata de Alan Wilson in 1931. Punctul culminant al cercetarii in corp solid este atins la 23 decembrie 1947, cand o echipa de la Bell Telephone Laboratories din New Jersey, formata din William Shockley, Walter Brattain si John Bardeen desco- pera tranzistorul bipolar.

William Shockley s-a nascut la Londra, la 13 februarie 1910 tatal - englez, de 55 de ani, inginer minier; mama - americanca, de 31 de ani, licentiata in arte si mate- matica la Stanford. In 1913, familia Shockley se stabileste in California, la Palo Alto. Tanarul Bill face liceul la Hollywood, intr-o clasa plina cu copii de actori. Este mai bun decat toti si mai bun decat profesorii, pe care-i contrazice in permanenta. Termina studiile universitare la Cal Tech si apoi pleaca la Boston, la MIT, unde John Slater ii conduce teza de doctorat "Functiile de unda in clorura de sodiu". Face parte din primele generatii de doctoranzi initiate in tainele mecanicii cuantice. Este angajat, in 1936, la Bell Laboratories, iar in 1938 devine sefului noului grup de cercetare "Fizica starii solide", care ii mai cuprinde pe: Walter Brattain - experimentator, Gerald Pearson - electronist si, din 1945, John Bardeen - teoretician.

Walter Brattain s-a nascut in 1902 in China, unde parintii sai predau limba engleza intr-o scoala particulara. Ei se intorc in SUA si se stabilesc la o ferma, micul Walter devenind un foarte bun tragator cu pusca si un bun crescator de vite. Brattain venea la scoala calare. El incepe liceul in Seattle, dar orasul nu-i prieste si ramane corijent la toate materiile, cu exceptia sportului. Este mutat la o scoala militara, unde isi descopera extraordinare aptitudini de experimentator. Termina facultatea, isi da doctoratul si este angajat la Bell, in 1929.

John Bardeen era fiul decanului Facultatii de medicina din Madison si s-a nascut in 1908. Copil precoce, sare cateva clase si la 15 ani devine student. In 1933, Bardeen incepe un doctorat la Princeton, sub conducerea lui Wigner, cu tema "Calcu- lul lucrului de iesire in cristalul de sodiu". Este angajat la Bell in 1945, la cerea lui Shockley.

In 1939, Shockley incearca sa obtina un amplificator cu siliciu, folosind efectul de camp. Slab experimentator, el esueaza si abandoneaza cercetarile. Dupa 1945, cand o data cu terminarea razboiului grupul se reface, Shockley cere lui Bardeen si Brattain sa verifice de ce incercarile sale nu dau rezultate. Bardeen banuieste ca efectul nu apare din cauza capcanelor de suprafata si decide inlocuirea siliciului cu germaniu. Urmeaza doi ani de incercari si, dupa o adevarata echilibristica experimentala execu- tata de Brattain, primul amplificator cu corp solid din istoria electronicii este gata. Cei doi se grabesc sa completeze o cerere de brevet pentru descoperirea tranzistorului cu contact punctiform, pe care o depun la 26 februarie 1948. Shockley solicita ca pa- tentul sa includa si ideea sa cu efectul de camp care declansase, de fapt, tot experi-mentul. Bardeen refuza bombanind, iar Brattain ii raspunde "Las-o balta. In semicon- ductor, va fi loc de glorie pentru toata lumea". Avocatii de la Bell intra in actiune, dar constata ca un individ obscur, americanul de origine poloneza Lilienfeld, brevetase inca din 1926 efectul de camp. Disperarea lui Shockley atinge cote maxime. Constient ca Bardeen si Brattain intra in posesia unei descoperiri epocale, el incearca sa-si reca- pete drepturile de coautor. Dupa nopti de nesomn, Shockley are revelatia salvatoare - "injectia de minoritari": in anumite conditii, purtatorii de sarcina minoritari pot strabate o regiune semiconductoare plina cu majoritari. Din aceasta idee se naste brevetul de tranzistor bipolar cu jonctiune, pe care il depune la 26 iunie 1948. Shockley prinde astfel trenul si toti trei vor primi Premiul Nobel, in 1956.

Despartirea lor a ramas insa definitiva. Shockley refuza sa mai lucreze cu ei si cei doi sunt obligati sa plece. Bardeen se muta profesor la Universitatea Illinois unde, impreuna cu Leon Cooper si Robert Schrieffer, elaboreaza teoria supraconductivitatii pentru care va primi un al doilea Premiu Nobel, in 1972. Brattain se retrage la ferma sa, unde isi va incheia cariera ca profesor de fizica intr-un colegiu.

La randul lui, nemultumit de salariul primit la Bell, Shockley se decide sa in- fiinteze propria sa companie. Cutreiera marile universitati americane, selecteaza pe cei mai promitatori tineri, ii supune unor teste   psihologice si de inteligenta si pleaca cu ei acasa, in Palo Alto. In 1955, printre nesfarsitele livezi de piersici si pruni din valea seaca a Californiei apare Shockley Transistor Corporation, prima firma de semi- conductoare din ceea ce avea sa devina celebra Vale a Siliciului

Tinerii lupi Robert Noyce, Gordon Moore, Jean Hoerni, Victor Grinich, Jay Last invata de la Shockley lectia tranzistorului difuzat, dupa care il parasesc si infiin- teaza, in 1957, a doua fabrica de microelectronica din Valea Siliciului, Fairchild Semiconductor.

Lovitura primita de Shockley este atat de puternica, incat el nu-si va mai reveni niciodata. Incearca o vreme meseria de profesor universitar, apoi renunta la semi- conductor si incepe sa sustina o serie de prelegeri, prin care incearca sa demonstreze ca, din punct de vedere intelectual, negrii sunt inferiori albilor! Atrage asupra sa un val de furie rasiala, i se interzice accesul in majoritatea universitatilor si devine una dintre cele mai hulite si mai detestate figuri din SUA. Nu renunta la ideile sale si va trai izolat, retras la o ferma, mai bine de 30 de ani grei, confruntat cu lipsuri si frustrari nenumarate. Moare in august 1989, bolnav de cancer de prostata. Cu toate ciudateniile sale, Shockley era un om fermecator, ce stia ca nimeni altul sa valorifice calitatile colaboratorilor. Metoda sa de lucru era "incearca varianta cea mai simpa si ea a facut epoca in cercetarea stiintifica americana. Aproape tot ce este fundamental in teoria dispozitivelor semiconductoare este gandit, explicat si modelat de Shockley. Inteligenta si puterea sa de intelegere au fost uimitoare. Impactul ideilor sale asupra dezvoltarii societatii moderne a fost urias. Multi au speculat aceste idei si au facut averi. El n-a reusit. A ramas doar "Moise al Vaii Siliciului", asa cum l-a numit Fred Seitz. Potecile batute de el prin nisipurile Californiei s-au transformat in autostrazile informatice de azi, iar fara tranzistorul lui William Shockley lumea contemporana ar arata cu totul altfel.

Integratul lui Robert Noyce

Robert Noyce s-a nascut in 1927, ca fiu al unui preot dintr-un mic orasel din statul american Iowa. Dupa studii de inginerie, el isi da doctoratul in fotolitografie. In 1956, primeste un telefon de la Shockley care ii propune sa-l angajeze la noua sa firma. "A fost ca si cum am ridicat receptorul si l-am auzit, la celalalt capat al firului, pe Dumnezeu vorbind , isi amintea el.

Shockley il hraneste cu jonctiuni, difuzii si iluzii. Noyce vrea insa bani. El este primul inginer care va reusi sa-si transforme ideile tehnice intr-o avere colosala. Sub influenta lui Noyce, "grupul celor opt tradatori", cum ii va numi toata viata Shockley, paraseste firma acestuia si infiinteaza, la o mila distanta, Fairchild Semiconductor. Tranzistoarele fabricate de ei sunt insa instabile.

In 1958, Jean Hoerni, fizician american de origine elvetiana, ii sugereaza lui Noyce sa stabilizeze dispozitivele cu ajutorul unui strat de SiO₂ crescut pe suprafata siliciului. Noyce, director de cercetare la Fairchild, sustine brevetarea ideii lui Hoerni sub numele de "tehnologie planara", dar avocatul firmei se opune si cere o descriere mai extinsa a ariei de aplicatii. Combinand tehnologia planara cu tehnicile de foto- gravura a unor trasee metalice peste stratul de SiO₂, Noyce ajunge in pasi succesivi sa redacteze patru pagini cu o descriere completa a circuitului integrat. Avocatul accep- ta propunera de brevet sub acesta forma, o depune la 30 iulie 1959, dar afla ca Jack Kilby, inginer electronist la Texas Instruments, facuse la 6 februarie 1959 o cerere de patent pentru realizarea unor cicuite avand toate elementele inglobate intr-un singur bloc semiconductor! Urmeaza 11 ani de procese intre Texas si Fairchild, terminate cu o intelegere prin care firmele devin coproprietare pe cele doua patente. Ca o recunoas- tere tarzie, Kilby va primi Premiul Nobel in anul 2000; Noyce murise intre timp. Primele circuite integrate contin cateva tranzistoare pe un ,,cip" de 1cm² si incep sa fie folosite, din 1961, de avioanele si rachetele americane.

Ideea circuitului integrat este dusa mai departe de Robert Noyce si Gordon Moore, care se desprind de Fairchild si infiinteaza, in 1968, firma Intel. Lor li se va alatura in curand emigrantul ungur Andras Grof, devenit Andrew Grove. Intel pro- duce, in 1971 primul microprocesor si prima memorie integrata din lume, deschizand drumul catre realizarea calculatorului personal. Noyce impune un climat colegial, dar extrem de performant, facand din noua firma cea mai inovativa companie din SUA. "Numai paranoicii supravietuiesc aici", va scrie mai tarziu Grove. In 1971, Intel iese cu actiuni pe piata bursiera si Noyce devine miliardar, averea sa din anii 1990 fiind egala cu cea a lui Bill Gates. In anul 2000, Intel avea 85.000 de angajati, raspanditi in 48 de tari, iar vanzarile sale anuale se cifrau la 32 miliarde dolari.

Extrem de sociabil si de sigur pe sine, Robert Noyce investea multa energie in fiecare lucru nou pe care il descoperea si devenea "seful natural" in orice domeniu s-ar fi implicat. Faptul ca era presedintele Asociatiei industriilor de semiconductoare din SUA, de exemplu, nu l-a impiedicat sa faca o mare pasiune pentru madrigal. Studiaza muzica, se alatura unui cor si devine, in scurt timp, dirijorul corului! In 1987, Noyce paraseste Intel-ul si renunta la serviciu, postul sau de director fiind preluat de Grove. Se muta in Texas, la Austin, unde isi cumpara casa, gradina, piscina si partie personala de schi. Se ocupa cu restaurarea avioanelor vechi, schiaza pe cei mai periculosi ver-santi, piloteaza singur avionul, colectioneaza automobile elegante si vinuri scumpe, studiaza japoneza, devine obsedat de gradinarit. Intr-o dimineata, in iunie 1990, se trezeste si, conform programului zilnic, se arunca in piscina. Face stop cardiac si moare, la varsta de 62 de ani.

Povestea lui A. Grove merita si ea o atentie aparte, pentru ca spune cat de important este pentru un om tanar sa fie cand trebuie, acolo unde trebuie. Fiul unui laptar din Budapesta, Grove emigreaza in USA in timpul revolutiei ungare, din 1956. Avea 20 de ani, 25$ in buzunar, nu cunostea limba engleza, nu avea studiile liceale terminate. Se angajeaza chelner la New York, terminandu-si studiile generale la seral. Face apoi facultatea de chimie a Universitati Berkeley din California, devine doctor in stiinte, iar in 1967 publica ,,Fizica si tehnologia dispozitivelor semiconductoare", carte ce va deveni Biblia celor care lucreaza in microelectronica. In 1968, este angajat la Intel, unde ajunge actionar si director executiv. In anul 1996, Grove castiga 100 milioane de dolari, fiind unul dintre cei mai prosperi si mai respectati manageri ai industriei americane.

Evolutia circuitelor integrate respecta predictia facuta de Moore: numarul de tranzistoare pe cip se dubleaza dupa 18 luni. Astfel, s-a ajuns ca in anul 2000 sa se realizeze 100 milioane de tranzistoare MOS pe un cip de 2 cm², care executa 1 miliard de operatii pe secunda. Productia mondiala de circuite integrate este de 150 miliarde de dolari. O fabrica ,,la cheie" de circuite integrate costa astazi 2 miliarde de dolari.

Calculatorul personal

Pentru a avea o imagine asupra impactului microelectronicii in industria calcu- latorului, merita sa spunem ca armata americana folosea, in anul 1945, calculatorul Eniac ce cantarea 27 tone si utiliza 18.000 tuburi cu vid. Sase tehnicieni erau angajati special sa inlocuiasca 2.000 de tuburi care se defectau lunar.

Primul calculator personal, Altair folosea microprocesorul Intel 8080 si a fost fabricat in 1975. Doi tineri, de 20 de ani, William Gates si Allen Paul concep limbajul de programare si cu banii castigati infiinteaza, in 1978, firma Microsoft. In 1980, IBM introduce in fabricatie primul sau PC si cere firmei Microsoft sa realizeze sistemul de operare. Surprinsi nepregatiti de comanda IBM , Gates si Paul cumpara cu 50.000 $ un program de la Tim Paterson, ii schimba numele in MS-DOS si semneaza contractul, castigand sume enorme. Microsoft sparge piata lansand interfata grafica Windows. In anul 2000, vanzarile mondiale de calculatoare personale ating cifra de 200 milioane bucati, castigurile firmei Microsoft ajungand la 2 miliarde dolari pe an.

Bill Gates devine cel mai bogat om din lume, averea sa fiind estimata la 80 miliarde dolari. Allen Paul castiga, la randul lui, o avere fabuloasa. In 1982, afla ca este bolnav de cancer. Abandoneaza soft-ul, face lungi excursii, cumpara echipa de fotbal american din Seattle si echipa de baschet din Portland. Peste ani, Paul constata ca s-a vindecat. Nu va mai reveni in lumea microelectronicii niciodata.