新しいオリジナル TPA3116D2DADR 集積回路 IC チップ電子部品

半導体チップの初期の主役はシリコンではなく、ゲルマニウムでした。最初のトランジスタはゲルマニウムベースのトランジスタであり、最初の集積回路チップはゲルマニウムチップでした。
最初のトランジスタは、バイポーラ トランジスタ (BJT) を発明したバーディーンとブラットンによって発明されました。最初の P/N 接合ダイオードは Shockley によって発明され、すぐに Shockley によって設計されたこの接合タイプが BJT の標準構造となり、現在使用されています。3人は同年1956年にノーベル物理学賞を受賞した。
トランジスタは、単純に小型のスイッチとして理解できます。半導体の特性に応じて、半導体にリンをドーピングすることによってN型半導体を形成し、ホウ素をドーピングすることによってP型半導体を形成することができる。N 型半導体と P 型半導体の組み合わせにより、電子チップの重要な構造である PN 接合が形成されます。これにより、特定の論理演算 (with-gate、or-gate、non-gate など) を実行できるようになります。
しかし、ゲルマニウムには、半導体内の多くの界面欠陥、劣った熱安定性、緻密な酸化物の欠如など、いくつかの非常に困難な問題があります。さらに、ゲルマニウムは地殻中にわずか7ppmしか存在しない希少元素であり、ゲルマニウム鉱石も非常に散在しています。ゲルマニウムの原料コストが依然として高いのは、ゲルマニウムが非常に希少で濃縮されていないためです。ものは希少であり、原材料のコストが高いため、ゲルマニウム・トランジスタは決して安くはありません。そのため、ゲルマニウム・トランジスタを大規模に生産することは困難です。

そこで研究者たちは、さらにレベルを上げて、シリコンという元素に注目しました。ゲルマニウムの固有の欠点はすべて、シリコンの固有の利点であると言えるでしょう。

ケイ素は酸素に次いで 2 番目に豊富な元素ですが、基本的に自然界ではケイ素モノマーを見つけることはできません。最も一般的な化合物はシリカとケイ酸塩です。これらのうち、シリカは砂の主成分の 1 つです。さらに、長石、花崗岩、石英などの化合物はすべてシリカと酸素の化合物をベースにしています。

シリコンは熱的に安定で、緻密で誘電率の高い酸化物を持ち、界面欠陥がほとんどないシリコン-シリコン酸化物界面を容易に作製できます。

酸化シリコンは水に溶けず（酸化ゲルマニウムは水に溶ける）、ほとんどの酸にも溶けないため、プリント基板に使用される腐食印刷技術に完全に適合します。この組み合わせの産物は、今日まで続く集積回路のフラットプロセスです。
シリコン結晶柱

シリコンの頂点への道
失敗した事業: まだ誰もシリコントランジスタの製造に成功していなかった時代に、ショックレーは巨大な市場機会を見出したといわれています。それが、彼が 1956 年にベル研究所を退職し、カリフォルニアで自分の会社を設立した理由です。残念なことに、ショックレーは優れた起業家ではなく、学力に比べれば経営は愚かなものでした。そのため、ショックレー自身はゲルマニウムをシリコンに置き換えるという野望を果たせず、残りの人生の舞台はスタンフォード大学の表彰台となった。設立から1年後、彼が採用した8人の有能な若者が一斉に離反し、ゲルマニウムをシリコンに置き換えるという野望を完遂するのは「8人の裏切り者」であった。

シリコントランジスタの台頭

8 人の反逆者たちがフェアチャイルド セミコンダクターを設立するまでは、ゲルマニウム トランジスタがトランジスタの支配的な市場であり、1957 年に米国で製造されたトランジスタは 3,000 万個近く、シリコン トランジスタはわずか 100 万個、ゲルマニウム トランジスタは 2,900 万個近くでした。テキサス・インスツルメンツは 20% の市場シェアを獲得し、トランジスタ市場の巨人になりました。
Eight Renegades とフェアチャイルド セミコンダクター

市場の最大の顧客である米国政府と軍は、このチップをロケットやミサイルに大量に使用して、貴重な打ち上げ負荷を増加させ、制御端末の信頼性を向上させたいと考えている。しかし、トランジスタは高温や激しい振動によって引き起こされる過酷な動作条件にも直面します。

温度に関してはゲルマニウムが最初に負けます。ゲルマニウムトランジスタは80℃の温度にしか耐えられませんが、軍の要件は200℃でも安定した動作を求めています。この温度に耐えられるのはシリコン トランジスタだけです。
従来のシリコントランジスタ

フェアチャイルドはシリコン トランジスタの製造プロセスを発明し、印刷された本と同じくらい簡単かつ効率的で、価格の点ではゲルマニウム トランジスタよりもはるかに安価になりました。フェアチャイルド社のシリコントランジスタの製造プロセスは大まかに以下の通りです。

まず、レイアウトが手書きで描かれますが、そのレイアウトは壁を占めるほど大きくなる場合もあります。その後、その図面が写真に撮られて小さな半透明のシートに縮小されます。多くの場合、それぞれが回路層を表す 3 枚のシートからなる 2 つのレーンで構成されます。

次に、スライスして研磨した滑らかなシリコン ウェーハに感光性材料の層を塗布し、UV/レーザーを使用してシリコン ウェーハ上の徹照シートから回路パターンを保護します。

第三に、透過照明シートの暗い部分の領域と線は、シリコンウェーハ上に未露光のパターンを残します。これらの未露光パターンは酸溶液で洗浄され、半導体不純物が追加されるか (拡散技術)、金属導体がメッキされます。

第 4 に、半透明のウェハごとに上記の 3 つのステップを繰り返すことにより、シリコン ウェハ上に多数のトランジスタが得られます。これらのトランジスタは、女性作業員によって顕微鏡下で切断され、ワイヤに接続され、パッケージ化され、テストされて販売されます。

シリコントランジスタが大量に入手可能だったため、フェアチャイルドの8人の反逆者創設者は、テキサス・インスツルメンツのような巨大企業と肩を並べることができる企業の1つだった。

重要なプッシュ - インテル
ゲルマニウムの優位性を総括したのは、その後の集積回路の発明でした。当時、2 つの技術ラインがあり、1 つはテキサス インスツルメンツのゲルマニウム チップ上の集積回路用、もう 1 つはフェアチャイルドのシリコン チップ上の集積回路用でした。当初、両社は集積回路の特許の所有権をめぐって激しく争っていましたが、後に特許庁は両社の集積回路の特許の所有権を認めました。
しかし、フェアチャイルドのプロセスがより進歩したため、それが集積回路の標準となり、現在でも使用され続けています。その後、集積回路の発明者であるノイスとムーアの法則の発明者であるムーアがセントロン・セミコンダクターを去りましたが、偶然にも二人とも「八人の裏切り者」のメンバーでした。彼らはグローブ氏と協力して、現在の世界最大の半導体チップ会社であるインテルを設立しました。
インテルの 3 人の創設者、左から: グローブ、ノイス、ムーア

その後の開発では、インテルはシリコンチップの採用を推進しました。テキサス・インスツルメンツ、モトローラ、IBMなどの巨人を破り、半導体ストレージとCPU部門の王者となった。

インテルが業界で支配的なプレーヤーになるにつれて、シリコンもゲルマニウムを廃止し、かつてサンタクララバレーだった場所は「シリコンバレー」と改名されました。それ以来、シリコンチップは一般の認識において半導体チップと同等のものになりました。

しかし、ゲルマニウムには、半導体の多くの界面欠陥、劣った熱安定性、緻密な酸化物の欠如など、解決するのが非常に難しい問題がいくつかあります。さらに、ゲルマニウムは地殻中にわずか7ppmしか存在しない希少元素であり、ゲルマニウム鉱石も非常に散在しています。ゲルマニウムの原料コストが依然として高いのは、ゲルマニウムが非常に希少で濃縮されていないためです。ものは希少であり、原材料のコストが高いため、ゲルマニウム・トランジスタは決して安くはありません。そのため、ゲルマニウム・トランジスタを大規模に生産することは困難です。

そこで研究者たちは、さらにレベルを上げて、シリコンという元素に注目しました。ゲルマニウムの固有の弱点はすべて、シリコンの固有の強みであると言えるでしょう。

ケイ素は酸素に次いで 2 番目に豊富な元素ですが、基本的に自然界ではケイ素モノマーを見つけることはできません。最も一般的な化合物はシリカとケイ酸塩です。これらのうち、シリカは砂の主成分の 1 つです。さらに、長石、花崗岩、石英などの化合物はすべてシリカと酸素の化合物をベースにしています。

シリコンは熱的に安定で、緻密で誘電率の高い酸化物を持ち、界面欠陥がほとんどないシリコン-シリコン酸化物界面を容易に作製できます。

酸化シリコンは水に溶けず（酸化ゲルマニウムは水に溶ける）、ほとんどの酸にも溶けないため、プリント基板に使用される腐食印刷技術に完全に適合します。この組み合わせの成果物が、今日まで続く集積回路プレーナープロセスです。