Ідею інтеграції великої кількості стандартних електронних компонентів у монолітному кристалі напівпровідника вперше запропонував 1952 року британський радіотехнік . Через рік Гарвік Джонсон подав першу в історії патентну заявку на прототип інтегральної схеми (ІС). Реалізувати ці пропозиції у ті роки було неможливо через недостатній розвиток технологій.

Наприкінці 1958 року та в першій половині 1959 року в напівпровідниковій промисловості відбувся прорив. Три людини, які представляли три приватні американські корпорації, вирішили три фундаментальні проблеми, що перешкоджали створенню інтегральних схем. Джек Кілбі з Texas Instruments запатентував принцип інтеграції, створив перші недосконалі прототипи ІС і довів їх до серійного випуску. із Sprague Electric Company винайшов спосіб електричної ізоляції компонентів, сформованих на одному . Роберт Нойс із Fairchild Semiconductor винайшов спосіб електричного з'єднання компонентів ІС (металізацію алюмінієм) і запропонував удосконалений варіант ізоляції компонентів на базі новітньої планарної технології . 27 вересня 1960 року група створила в компанії «Fairchild Semiconductor» першу робочу напівпровідникову ІС за ідеями Нойса та Ерні. Texas Instruments, що володіла патентом на винахід Кілбі, розв'язала проти конкурентів патентну війну, яка завершилася 1966 року мировою угодою про перехресне ліцензування технологій.

Не існує єдиної думки про те, хто саме є винахідником ІС. Американська преса 1960-х років визнавала винахідниками ІС чотирьох людей: Кілбі, Леговеца, Нойса та Ерні. У 1970-ті роки список винахідників скоротився до двох імен: Кілбі та Нойс, а в популярній літературі — до одного Кілбі. Саме Кілбі був удостоєний 2000 року Нобелівської премії з фізики «за особистий вклад у винайдення інтегральної схеми». У XXI столітті історики галузі Леслі Берлін — професійний історик, керівник програми Стенфордського університету з історії Кремнієвої Долини, автор біографії Роберта Нойса (див. список літератури), радник Смітсонівського інституту., Бо ЛоєкБо Лоєк () — американський фізик-твердотільник, спеціаліст по дифузії в кремнії, 2012 року співробітник Atmel. Автор книги з історії напівпровідникової промисловості (див. список літератури)., Арджун СаксенаАрджун Саксена () — індійсько-американський фізик, винахідник, що працював у США в галузі напівпровідників з 1960 року. 2012 року — почесний професор (professor emeritus) Інституту Ренселера. Автор книги про історію винайдення ІС (див. список літератури). повернулися до точки зору, що винахідників ІС було набагато більше, і піддали ревізії значення внеску Кілбі.

Передумови Очікування прориву

Під час Другої світової війни та у перші післявоєнні роки в електроніці з'явилися ознаки явища, яке в США назвали «тиранією великих чисел» (): окремі зразки бортової та обчислювальної техніки досягли межі складності, за якою втрати від відмов та простоїв переважали будь-які очікувані вигоди. Кожен Boeing B-29 (поставлений на озброєння 1944 року) возив на собі, за різними джерелами, від трьохсот до майже тисячі вакуумних ламп і десятки тисяч пасивних компонентівВ нобелівській промові Кілбі (Kilby, 2000, p. 474) назвав цифру 300 («Even the B-29, probably the most complex equipment used in the war, had only around 300 vacuum tubes»). У статті 1976 року (Kilby 1976, p. 648) він назвав «майже тисячу». Та ж оцінка наводиться, наприклад, у .. У стаціонарних комп'ютерах рахунок ламп ішов на тисячі, в комп'ютері ENIAC (1946 рік) їх було понад сімнадцяти тисячВ комп'ютері ENIAC кількість паяннь досягала п'яти мільйонів. При цілодобовому чергуванні бригади з шести техніків очікуваний час безвідмовної роботи становив 5,6 годин. У середньому, ENIAC працював 69 % часу, а 31 % займали планові та вимушені ремонти. — .. Кожен додатковий резистор, кожне додаткове паяння погіршувало надійність та збільшувало час пошуку несправностей. Традиційна електроніка опинилася в глухому куті: подальше ускладнення електронних пристроїв потребувало зменшення кількості їх компонентів.

Оприлюднене влітку 1948 року винайдення транзистора породило у суспільстві розвинених країн очікування нової технічної революції. Фантасти та журналісти віщували швидку появу «розумних машин» і масову роботизацію усіх сторін життя — від кухонної плити до міжпланетних польотів. Результати реальної транзисторизації виявилися набагато скромнішими. Заміна електронних ламп на напівпровідникові прилади дозволила зменшити розміри й енергоспоживання електронних пристроїв, але не могла вирішити проблему надійності складних систем. Мініатюризація навіть трохи погіршила її: щільна упаковка компонентів на платах, необхідна для досягнення прийнятної швидкодії, ускладнювала пошук несправностей та погіршувала ремонтопридатність. Надійність дискретних компонентів у 1950-ті роки довели до теоретичної межі, але надійність з'єднань між компонентами принципово не змінилася. Найскладніші системи початку 1960-х років містили до 200 тисяч дискретних компонентів — не набагато більше, ніж ламповий ENIAC.

Ідея інтеграції 7 травня 1952 року британський радіотехнік виступив у Вашингтоні з публічною доповіддю, в якій сформулював ідею інтеграції:

З появою транзистора та з розвитком напівпровідників у цілому, видається можливим створення електронних пристроїв у масиві [напівпровідника] без використання монтажних з'єднань. [Напівпровідниковий] блок може складатися з провідних, ізоляційних, випрямних, посилювальних шарів. Окремі функціональні компоненти [цих шарів] з'єднуються між собою через вирізи у відповідних шарах.

Даммер, який згодом став відомим як «пророк інтегральних схем» (але не їх винахідник!), безуспішно намагався знайти фінансування на батьківщині. Лише 1956 року він зміг виготовити прототип власної ІС методом вирощування з розплаву; досвід виявився невдалим. 1957 року міністерство оборони Великої Британії остаточно визнало його роботи безперспективними. Чиновники мотивували відмову високою собівартістю та гіршими, ніж у дискретних приладів, параметрами ще не створених ІС. Розвиток електронних технологій зосередився в США.

У жовтні 1952 року подав патентну заявку на спосіб виготовлення складеного транзистора (структури з трьох електрично пов'язаних площинних транзисторів) на спільному кристалі напівпровідника У травні 1953 року Гарвік Джонсон подав патентну заявку на спосіб формування у кристалі провідника різних електронних компонентів — транзисторів, опорів, зосереджених та розподілених ємностей. Джонсон описав три можливих способи виробництва інтегрального однотранзисторного генератора коливань. У всіх варіантах схема була вузькою планкою напівпровідника, на одному кінці якої формувався сплавний біполярний транзисторДжонсон не пропонував конкретних технологічних рішень. Мова патенту 2816228 допускала різні способи створення транзистора, але більше всього уваги було приділено «нещодавно поданій заявці Мюллера» на сплавну технологію.. Тіло планки виконувало функцію ланцюжка електрично зв'язаних опорів. Зосереджені ємності формувалися сплавленням, а розподілені — у вигляді протяжних зворотно-зміщених p-n-переходів. Невідомо, чи зумів Джонсон реалізувати свою пропозицію на практиці, але через шість років один із варіантів схеми Джонсона був реалізований та запатентований Джеком Кілбі.

Функціональна електроніка Великі американські корпорації (Bell Labs, IBM, RCA, General Electric) шукали вирішення проблеми «великих чисел» у перевіреній часом функціональній електроніці — розробці дискретних компонентів (функціональних приладів) з унікальними фізичними властивостями, що реалізують задану функцію при мінімальній кількості компонентів обвісу. В лампову еру цей підхід дозволяв ефективно скоротити кількість компонентів схеми ціною її швидкодії. Наприклад, комірка пам'яті на типових компонентах 1940-х років складалася з двох вакуумних тріодів і близько десяти пасивних компонентів, і працювала на тактових частотах до 200 кГц. Комірку на тріодах міг замінити єдиний активний компонент — малопотужний тиратрон — з навантажувальним резистором і вхідною ємністю, однак робоча частота такої комірки не перевищувала кількох кГц. Кільцевий декадний лічильник можна було побудувати на десяти послідовно з'єднаних тиратронахВ реальних пристроях така мінімалістська конструкція не застосовувалася через низьку швидкодію. Звичайна комірка перерахунку містила один тиратрон, одну неонову лампочку, два резистора та дві ємності — див. Бонч-Бруєвич 1956, с. 502., а можна було використовувати єдину газонаповнену лампу-лічильник — декатрон (швидкість розрахунків порядку десятків кГцРобоча частота переключення тиратронної схеми обмежена затримкою виключення газового розряду — вона становить порядку 200 мкс. В декатроні розрахунок виконувався перекиданням розряду з електрода на електрод без розриву струму розряду, тому швидкодія лічильника на декатронах суттєво краща, ніж у тиратронних схемах.). Запам'ятовуючі електронно-променеві трубки та пам'ять на лініях затримки дозволяли зберігати тисячі одиниць інформації.

1952 року Джуел Еберс розробив на «Bell Labs» дослідний твердотільний аналог тиратрона — «чотиришаровий транзистор», або тиристор. Вільям Шоклі спростив конструкцію тиристора до двохвивідного «чотиришарового діода» (диністора) і зосередився на доведенні диністора до промислового виробництва. Шоклі розраховував, що новий прилад зможе замінити поляризовані реле телефонних станцій, однак почата 1956 року робота затягнулася до 1960 року, надійність «діодів Шоклі» виявилася неприйнятно низькою, а занепалоУ липні 1961 року Шоклі розбився в автокатастрофі, а після одужання вже не повернувся до справ своєї лабораторії. Власник лабораторії Арнольд Бекман продав її компанії Clevite, а 1967 року лабораторія припинила існування. Телефонні мережі США і всього світу надали перевагу модернізації на базі відомих з 1936 року герконових реле.

Одночасно з Шоклі над тиристорною темою працювали інженери Bell Labs, IBM і RCA. і Девід Д'Азаро (Bell Labs) експериментували з комірками пам'яті («кроковими комірками») на тиристорах. Джо Лог і Рік Ділл (IBM) будували лічильники на одноперехідних транзисторах. Торкл Волмарк і Гарвік Джонсон (RCA) працювали і з тиристорами, і з польовими транзисторами. Роботи 1955—1958 років з германієвими тиристорними структурами не принесли результату. У березні 1958 року RCA передчасно анонсувала десятибітний регістр зсуву Волмарка як «нову концепцію в електронній технології», але реальні схеми на германієвих тиристорах були непрацездатні. Лише влітку 1959 року, після оприлюднення винаходів Кілбі, Леговца та Ерні, Д'Азаро представив робочий кремнієвий регістр зсуву на тиристорах. Один кристал схеми д'Азаро (чотири тиристора) заміняв схему з восьми транзисторів, 26 діодів і 27 резисторів. Площа кожного тиристора становила від 0,2 до 0,4 мм² при товщині близько 0,1 мм, елементи схеми ізолювалися травленням глибоких канавок.

З точки зору прихильників функціональної електроніки, в напівпровідникову еру їхній підхід був особливо вигідний, оскільки дозволяв обходити фундаментальні, ще не вирішені проблеми технології напівпровідників. Невдачі Шоклі, Росса та Волмарка довели помилковість цього підходу: серійний випуск функціональних приладів міг початися лише після усунення технологічних перешкод.

Кремнієві технології

Транзистори ранніх серій виготовлялися виключно з германію. Відносно низька температура плавлення та відносно низька хімічна активність робили германій зручним, технологічним матеріалом. Непереборним недоліком германієвих транзисторів був вузький діапазон робочих температур, тому вже у середині 1950-х років інженери повернулися до «незручного», але високотемпературного, кремнію. Влітку 1954 року виростив на Texas Instruments (TI) першу кремнієву транзисторну структуру, а 1955 року кремнієві транзистори пішли в серію. Тоді ж, 1954 року, і Дітценберґер опублікували результати фундаментального дослідження процесу , а Шоклі запропонував використовувати дифузію за Фуллером для формування p-n-переходів із заданим профілем концентрації домішок.