Neue und originale TPA3116D2DADR-IC-Chips mit integrierter Schaltung für elektronische Komponenten

In den Anfängen des Halbleiterchips war nicht Silizium die Hauptfigur, sondern Germanium.Der erste Transistor war ein Germanium-basierter Transistor und der erste integrierte Schaltkreis-Chip war ein Germanium-Chip.
Der erste Transistor wurde von Bardeen und Bratton erfunden, die auch den Bipolartransistor (BJT) erfanden.Die erste P/N-Übergangsdiode wurde von Shockley erfunden und dieser von Shockley entworfene Übergangstyp wurde sofort zur Standardstruktur für den BJT und ist heute in Betrieb.Die drei erhielten im selben Jahr 1956 auch den Nobelpreis für Physik.
Ein Transistor kann einfach als Miniaturschalter verstanden werden.Abhängig von den Eigenschaften des Halbleiters kann ein Halbleiter vom N-Typ durch Dotieren des Halbleiters mit Phosphor und ein Halbleiter vom P-Typ mit Bor gebildet werden.Die Kombination von N-Typ- und P-Typ-Halbleitern bildet den PN-Übergang, eine wichtige Struktur in elektronischen Chips;Dadurch können bestimmte logische Operationen ausgeführt werden (z. B. Mit-Gatter, Oder-Gatter, Nicht-Gatter usw.).
Germanium hat jedoch einige sehr schwierige Probleme, wie zum Beispiel die vielen Grenzflächendefekte im Halbleiter, die schlechte thermische Stabilität und das Fehlen dichter Oxide.Darüber hinaus ist Germanium mit nur 7 Teilen pro Million in der Erdkruste ein seltenes Element, und auch Germaniumerze kommen sehr verstreut vor.Da Germanium sehr selten und nicht konzentriert vorkommt, bleiben die Rohstoffkosten für Germanium hoch;Dinge sind selten und die hohen Rohstoffkosten machen Germaniumtransistoren nicht billiger, sodass es schwierig ist, Germaniumtransistoren in großem Maßstab herzustellen.

Forscher sprangen deshalb eine Ebene höher und untersuchten das Element Silizium.Man könnte sagen, dass alle inhärenten Mängel des Germaniums die inhärenten Vorteile von Silizium sind.

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element, aber Siliziummonomere kommen in der Natur grundsätzlich nicht vor;seine häufigsten Verbindungen sind Kieselsäure und Silikate.Davon wiederum ist Kieselsäure einer der Hauptbestandteile von Sand.Darüber hinaus basieren Verbindungen wie Feldspat, Granit und Quarz alle auf Siliciumdioxid-Sauerstoff-Verbindungen.

Silizium ist thermisch stabil, hat ein dichtes Oxid mit hoher Dielektrizitätskonstante und kann leicht mit einer Silizium-Siliziumoxid-Grenzfläche mit sehr wenigen Grenzflächendefekten hergestellt werden.

Siliziumoxid ist wasserunlöslich (Germaniumoxid ist wasserlöslich) und in den meisten Säuren unlöslich, was einfach perfekt zur Korrosionsdrucktechnik für Leiterplatten passt.Das Ergebnis dieser Kombination ist der bis heute andauernde Flachprozess für integrierte Schaltkreise.
Siliziumkristallsäulen

Siliziums Reise an die Spitze
Ein gescheitertes Unterfangen: Shockley soll eine riesige Marktchance zu einer Zeit gesehen haben, als es noch niemandem gelungen war, einen Siliziumtransistor herzustellen;Deshalb verließ er 1956 Bell Labs, um in Kalifornien sein eigenes Unternehmen zu gründen.Leider war Shockley kein guter Unternehmer und seine Unternehmensführung war im Vergleich zu seinen akademischen Fähigkeiten eine dumme Aufgabe.Shockley selbst erfüllte also nicht das Ziel, Germanium durch Silizium zu ersetzen, und die Bühne für den Rest seines Lebens war das Podium der Stanford University.Ein Jahr nach der Gründung verließen die acht talentierten jungen Männer, die er rekrutiert hatte, ihn massenhaft, und es waren die „acht Verräter“, die das Ziel, Germanium durch Silizium zu ersetzen, verwirklichen sollten.

Der Aufstieg des Siliziumtransistors

Bevor die Eight Renegades Fairchild Semiconductor gründeten, waren Germaniumtransistoren der dominierende Markt für Transistoren. 1957 wurden in den USA fast 30 Millionen Transistoren hergestellt, nur eine Million Siliziumtransistoren und fast 29 Millionen Germaniumtransistoren.Mit einem Marktanteil von 20 % wurde Texas Instruments zum Giganten auf dem Transistormarkt.
Acht Renegades und Fairchild Semiconductor

Die größten Kunden des Marktes, die US-Regierung und das Militär, wollen die Chips in großen Mengen in Raketen und Flugkörpern einsetzen, um die wertvolle Startlast zu erhöhen und die Zuverlässigkeit der Kontrollterminals zu verbessern.Allerdings sind die Transistoren auch rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt, die durch hohe Temperaturen und heftige Vibrationen verursacht werden.

Germanium ist der erste Verlierer bei der Temperatur: Germanium-Transistoren können Temperaturen von nur 80 °C aushalten, während die Anforderungen des Militärs einen stabilen Betrieb auch bei 200 °C vorsehen.Nur Siliziumtransistoren können dieser Temperatur standhalten.
Der traditionelle Siliziumtransistor

Fairchild erfand das Verfahren zur Herstellung von Siliziumtransistoren und machte sie so einfach und effizient wie gedruckte Bücher und preislich viel günstiger als Germaniumtransistoren.Fairchilds Prozess zur Herstellung von Siliziumtransistoren ist grob wie folgt aufgebaut.

Zunächst wird von Hand ein Layout gezeichnet, das manchmal so groß ist, dass es eine Wand einnimmt. Anschließend wird die Zeichnung fotografiert und auf ein winziges durchscheinendes Blatt verkleinert, oft mit zwei Bahnen aus drei Blättern, die jeweils eine Schaltungsschicht darstellen.

Zweitens wird eine Schicht aus lichtempfindlichem Material auf den geschnittenen und polierten glatten Siliziumwafer aufgetragen und der UV/Laser wird verwendet, um das Schaltkreismuster von der Durchleuchtungsfolie auf dem Siliziumwafer zu schützen.

Drittens hinterlassen Bereiche und Linien im dunklen Teil der Durchleuchtungsfolie unbelichtete Muster auf dem Siliziumwafer;Diese unbelichteten Muster werden mit einer Säurelösung gereinigt und entweder werden Halbleiterverunreinigungen hinzugefügt (Diffusionstechnik) oder Metallleiter werden plattiert.

Viertens kann man durch Wiederholen der drei oben genannten Schritte für jeden durchscheinenden Wafer eine große Anzahl von Transistoren auf Siliziumwafern erhalten, die von Arbeiterinnen unter einem Mikroskop geschnitten und dann mit Drähten verbunden, dann verpackt, getestet und verkauft werden.

Da Siliziumtransistoren in großen Mengen verfügbar waren, gehörten die acht abtrünnigen Gründer von Fairchild zu den Unternehmen, die neben Giganten wie Texas Instruments bestehen konnten.

Der wichtige Anstoß – Intel
Es war die spätere Erfindung des integrierten Schaltkreises, die die Dominanz von Germanium auf den Punkt brachte.Damals gab es zwei Technologielinien, eine für integrierte Schaltkreise auf Germanium-Chips von Texas Instruments und eine für integrierte Schaltkreise auf Silizium-Chips von Fairchild.Zunächst lieferten sich die beiden Unternehmen einen heftigen Streit um die Inhaberschaft der Patente auf die integrierten Schaltkreise, doch später erkannte das Patentamt die Inhaberschaft der Patente auf die integrierten Schaltkreise bei beiden Unternehmen an.
Als das Verfahren von Fairchild jedoch weiterentwickelt wurde, wurde es zum Standard für integrierte Schaltkreise und wird auch heute noch verwendet.Später verließen Noyce, der Erfinder des integrierten Schaltkreises, und Moore, der Erfinder des Mooreschen Gesetzes, Centron Semiconductor, die übrigens beide Mitglieder der „Acht Verräter“ waren.Zusammen mit Grove gründeten sie das heute weltweit größte Halbleiterchip-Unternehmen Intel.
Die drei Gründer von Intel, von links: Grove, Noyce und Moore

In späteren Entwicklungen drängte Intel auf Siliziumchips.Es hat Giganten wie Texas Instruments, Motorola und IBM geschlagen und ist zum König der Halbleiterspeicher- und CPU-Branche aufgestiegen.

Als Intel zum dominierenden Akteur in der Branche wurde, löste Silizium auch Germanium auf und das ehemalige Santa Clara Valley wurde in „Silicon Valley“ umbenannt.Seitdem sind Siliziumchips in der öffentlichen Wahrnehmung zum Äquivalent von Halbleiterchips geworden.

Germanium hat jedoch einige sehr schwierige Probleme zu lösen, wie etwa die vielen Grenzflächendefekte von Halbleitern, die schlechte thermische Stabilität und das Fehlen dichter Oxide.Darüber hinaus ist Germanium mit nur 7 Teilen pro Million in der Erdkruste ein seltenes Element, und auch Germaniumerze kommen sehr verstreut vor.Da Germanium sehr selten und nicht konzentriert vorkommt, bleiben die Rohstoffkosten für Germanium hoch;Dinge sind selten und die hohen Rohstoffkosten machen Germaniumtransistoren nicht billiger, sodass es schwierig ist, Germaniumtransistoren in großem Maßstab herzustellen.

Forscher sprangen deshalb eine Ebene höher und untersuchten das Element Silizium.Man könnte sagen, dass alle inhärenten Schwächen des Germaniums inhärente Stärken von Silizium sind.

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element, aber Siliziummonomere kommen in der Natur grundsätzlich nicht vor;seine häufigsten Verbindungen sind Kieselsäure und Silikate.Davon wiederum ist Kieselsäure einer der Hauptbestandteile von Sand.Darüber hinaus basieren Verbindungen wie Feldspat, Granit und Quarz alle auf Siliciumdioxid-Sauerstoff-Verbindungen.

Silizium ist thermisch stabil, hat ein dichtes Oxid mit hoher Dielektrizitätskonstante und kann leicht mit einer Silizium-Siliziumoxid-Grenzfläche mit sehr wenigen Grenzflächendefekten hergestellt werden.

Siliziumoxid ist wasserunlöslich (Germaniumoxid ist wasserlöslich) und in den meisten Säuren unlöslich, was einfach perfekt zur Korrosionsdrucktechnik für Leiterplatten passt.Das Produkt dieser Kombination ist der Planarprozess für integrierte Schaltkreise, der bis heute andauert.