La idea de integrar circuitos electrónicos en un solo dispositivo nació cuando el físico alemán e ingeniero Werner Jacobi Erfinder desarrolló y patentó el primer amplificador de transistor integrado conocido en 1949 y el ingeniero británico de radio Geoffrey Dummer propuso la integración de una variedad de componentes electrónicos estándares en un cristal monolítico semiconductor en 1952. Un año después, Chadwick Johnson hizo una patente para el prototipo de un circuito integrado (CI).
Tales ideas no pudieron ser implementadas en la industria de 1950, pero un hallazgo ocurrió en los últimos años de esa década. En 1958, 3 personas de 3 compañías de los Estados Unidos resolvieron 3 problemas fundamentales que impedían la producción de circuitos integrados. Jack Kilby de Texas Instruments patentó el principio de integración, creó el primer prototipo de CI y los comercializó. Kurt Lehovec de Sprague Electric Company inventó una manera de aislar eléctricamente los componentes en un cristal semiconductor. Robert Noyce de Fairchild Semiconductor inventó una manera de conectar los componentes de un CI (metalización de aluminio) y propuso una versión mejorada del aislamiento basada en la tecnología planar de Jean Hoerni. El 27 de septiembre de 1960, usando las ideas de Noyce y Hoerni, un grupo de Jay Last en Fairchild Semiconductor creó el primer CI semiconductor operacional. Texas Instruments, que había mantenido la patente para la invención de Kilby, comenzó una guerra de patentes, que fue solventada en 1966 mediante el acuerdo de una licencia cruzada. No hay consenso sobre quien inventó el CI. La prensa Americana de 1960 nombró a 4 personas: Kilby, Lehovec, Noyce y Hoerni; en 1970 la lista fue acortada a Kilby y Noyce, y después a Kilby, quien fue honrado en el 2000 con el Premio Nobel de Física “por su participación en la invención del circuito integrado”. En los 2000, los historiadores Leslie Berlin,Leslie Berlin es un historiador profesional, cabeza del programa de Historia de Silicon Valley en la Universidad de Stanford, autor de la biografía de Robert Noyce y un consejero del Smithsoniano. Bo LojekBo Lojek es un físico en estado sólido, especializado en la difusión en el silicio, él escribió un libro sobre la historia de la industria del semiconductor. y Arjun SaxenaArjun Saxena es un físico indio-americano que ha estudiado a los semiconductores desde 1960, escribió un libro sobre la historia de la invención del CI. reinstauraron la idea de múltiples inventores del CI y revisaron la contribución de Kilby.
Prerrequisitos
Esperando un hallazgo thumb|Cambiando tubos de vacío en la computadora ENIAC. Durante y después de la Segunda Guerra Mundial, un fenómeno llamado “La tiranía de números” había sido notada, es decir, algunos dispositivos computacionales llegaron a un complejidad en la que las pérdidas de las fallas y el tiempo en inactividad del sistema excedieron los beneficios esperados. Cada Boeing B-29 (puesto en servicio en 1944) cargaba con 300–1000 tubos de vacío y decenas de miles de componentes pasivos. El número de tubos de vacío había llegado a los miles en computadoras avanzadas como la ENIAC (1946). Cada componente adicional reducía la fiabilidad del dispositivo y aumentaba el tiempo de resolución de fallos. La electrónica tradicional alcanzó un tope en el que más desarrollo de dispositivos electrónicos requería un número reducido de componentes.
La invención del transistor en 1948 llevó a las expectativas de una nueva revolución tecnológica. Los escritores de ficción y columnistas profetizaron la inminente llegada de “máquinas inteligentes” y la robotización de todos los aspectos de la vida. Si bien los transistores redujeron el tamaño y el consumo de energía, no pudieron resolver el problema de fiabilidad en dispositivos electrónicos complejos. De hecho, la alta densidad de componentes en un espacio pequeño impedía su reparación Aunque la fiabilidad de los componentes discretos se había llevado al límite teórico en 1950, no había aún una mejora en las conexiones de los componentes.
La idea de la integración Desarrollos tempranos del CI datan desde 1949, cuando el ingeniero Alemán Werner Jacobi (Siemens AG) pidió la patente para un dispositivo amplificador semiconductor similar a un circuito integrado mostrando cinco transistores en substrato común en un arreglo de amplificador de tres etapas con dos transistores trabajando “al revés” como conversor de impedancia. Jacobi reveló audífonos para sordos pequeños y baratos como aplicaciones industriales de su patente. No se ha reportado 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 evento público en Washington:
thumb|left|Generador integrado de Johnson (1953). Tiempo después, Dummer se volvió conocido como “el profeta de los circuitos integrados”, pero no como su inventor. En 1956 produjo un prototipo de CI, pero su trabajo fue llamado impráctico por el ministro de Defensa del Reino Unido, debido al alto costo y parámetros inferiores del CI en comparación con los dispositivos discretos.
En octubre de 1952 en E.U., Bernard Oliver llenó un formato para una aplicación a patente de un método para fabricar tres transistores planares eléctricamente conectados en un cristal semiconductor. El 21 de mayo de 1953 Harwick Johnson llenó un formato de aplicación a patente de un método para formar varios componentes electrónicos – transistores, resistencias y capacitancias distribuidas en un solo chip. Johnson describió 3 maneras de producir un oscilador integrado de un solo transistor; todas ellas usaban una línea delgada de un semiconductor con un transistor bipolar de un lado y se diferenciaban en los métodos de producir el transistor. La línea actuaba como resistencia en serie, los capacitores fueron formados por fusión, mientras que las uniones p-n inversamente polarizadas actuaban como capacitadores distribuidos. Johnson no ofreció un procedimiento tecnológico y no se sabe si produjo algún dispositivo. En 1959, una variante de su propuesta fue implementada y patentada por Jack Kilby.
Electrónica Funcional Las compañías líderes de electrónica en E.U.A. 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 mínimo de elementos pasivos. Durante la era de los tubos de vacío, tal abordaje permitió la reducción del costo de un circuito a cuestas de su frecuencia de operación. Por ejemplo, una celda de memoria de 1940 consistía de dos triodos y una docena de componentes pasivos que corrían a una frecuencia de hasta 200 kHz. Una respuesta en el orden de los MHz pudo ser lograda con 2 pentodos y 6 diodos por celda. Esta celda pudo ser reemplazada por un thyratron con una resistencia de carga y un capacitor de entrada, pero la frecuencia de tal circuito no excedía los pocos kHz.
En 1952, Jewell James Ebers de Bell Labs desarrolló un prototipo análogo de estado sólido de un thyratron – o un transistor de 4 capas, o tiristor. William Shockley simplificó su diseño con un “diodo de 4 capas” y dos terminales (Diodo Schockley) e intentó su producción industrial. Schockley esperaba que el nuevo dispositivo reemplazara el relevador polarizado en el intercambio telefónico; sin embargo la fiabilidad de los diodos Schockley era inaceptablemente baja, y su compañía entró en declive. Al mismo tiempo, trabajos en los circuitos de thyristor fueron realizados en Bell Labs, IBM y RCA Ian Munro Ross y David D'Azaro (Bell Labs) experimentaron con las celdas de memoria basadas en transistores. Joe Logue y Rick Dill (IBM) trabajaban en contadores usando transistores monouniones. Torkel Wallmark y Harwick Johnson (RCA) usaron los tiristores y transistores de efecto de campo. Los trabajos de 1955 a 1958 que utilizaron los transistores de germanio no dieron frutos. Solo en el verano de 1959, después de que las invenciones de Kilby, Lehovec y Hoerni se volvieran públicas, D’Azaro reportó un registro de corrimiento operacional basado en transistores de silicio. El área de cada transistor era de 0.2 a 0.4 mm², con un grosor de aproximadamente 0.1 mm. Desde el punto de vista de los seguidores de la electrónica funcional y la era del semiconductor, su abordaje les permitió eludir problemas fundamentales en la tecnología del semiconductor. Los errores de Schockley, Ross y Wallmarck probaron la falacia de esta técnica: la producción en masa de dispositivos funcionales se vio retrasada por las barreras tecnológicas.
Tecnología del Silicio thumb|400px|Comparación de las tecnologías mesa (izquierda) y planar (Hoerni, derecha) . Las dimensiones son mostradas esquemáticamente. Los primeros transistores fueron hechos de germanio. A mediados de 1950 fue reemplazado por silicio, el cual permitía la operación a altas temperaturas. En 1954, Gordon Teal de Texas Instruments produjo el primer transistor de silicio, comercializado en 1955. También en 1954, Fuller y Dittsenberger publicaron un estudio fundamental en la difusión del silicio y Shockley sugirió el uso de tecnología para formar uniones p-n con un grado dado de impureza en la concentración. En 1955 Carl Frosch de Bell Labs desarrolló la oxidación húmeda del silicio, la cual se realiza con vapor de agua a una temperatura de 900 °C a 1000 °C. En los dos siguientes años, Frosh, Moll Fuller y Holonyak llevaron este proceso a producción en masa. Este descubrimiento reveló la segunda ventaja fundamental del silicio sobre el germanio: a diferencia de los óxidos de germanio, el silicio “húmedo” es físicamente fuerte y un aislante eléctrico químicamente inerte.
El primero de diciembre de 1957, Jean Hoerni propuso una tecnología planar de transistores bipolares. En este proceso, la uniones P-N eran cubiertas por una capa protectora, que debería significativamente mejorar su fiabilidad. Sin embargo en 1957, esta propuesta fue considerada técnicamente imposible. La formación de emisores de un transistor NPN requería la difusión del fósforo y el trabajo de Frosch sugería que el SiO2 no bloqueaba tal difusión. En marzo de 1959, Chi-Tang Sah, un excolega de Hoerni, le mostró a él y a Noyce un error en las conclusiones de Frosch. Frosch usó capas de óxido demasiado delgadas, mientras que los experimentos de 1957-1858 mostraron que una capa gruesa de óxido puede detener la difusión del fósforo. Armado con este conocimiento, el 12 de marzo de 1959 Hoerni hizo el primer prototipo de un transistor planar; y el primero de mayo de 1959 emitió una aplicación de patente para la invención un proceso planar. En abril de 1960, Fairchild lanzó el transistor planar 2N1613, y en octubre de 1960 abandonó por completo la tecnología del transistor mesa. A mediados de 1960, el proceso planar se había convertido en la tecnología principal para producir transistores y circuitos integrados monolíticos.
Tres problemas de la Microelectrónica La creación del CI fue detenida por 3 problemas fundamentales, los cuales fueron formulados por Wallmark en 1958: Integración: en 1958 no había manera de formar varios componentes electrónicos diferentes en un cristal semiconductor. La aleación no era apta para el CI y la última tecnología mesa tenía serios problemas de fiabilidad. Aislamiento: no existía tecnología para aislar eléctricamente componentes en un cristal semiconductor. Conexión: no había manera efectiva de crear conexiones eléctricas entre los componentes de un CI, excepto usando cables de oro, conexión extremadamente cara y consumidora. Sucedió que tres diferentes compañías tenían las patentes clave para cada uno de estos problemas. Sprague Electric Company decidió no desarrollar los CIs, Texas Instruments se limitaba a un set de tecnologías incompletas y solo Fairchild Semiconductor combinó las técnicas requeridas para la producción comercial de CIs monolíticos.
Integración de Jack Kilby