רכיבי אלקטרוניקה חדשים ומקוריים TPA3116D2DADR מעגל משולב IC Chips

בימיו הראשונים של שבב המוליכים למחצה, סיליקון לא היה הדמות הראשית, גרמניום כן.הטרנזיסטור הראשון היה טרנזיסטור מבוסס גרמניום ושבב המעגל המשולב הראשון היה שבב גרמניום.
הטרנזיסטור הראשון הומצא על ידי ברדין ובראטון, שהמציאו את הטרנזיסטור הדו-קוטבי (BJT).דיודת הצומת P/N הראשונה הומצאה על ידי Shockley ומיד, סוג צומת זה שתוכנן על ידי Shockley הפך למבנה הסטנדרטי של ה-BJT ונמצא בשירות היום.שלושתם זכו גם בפרס נובל לפיזיקה באותה שנה ב-1956.
ניתן פשוט להבין טרנזיסטור כמתג מיניאטורי.בהתאם לתכונות המוליך למחצה, ניתן ליצור מוליך למחצה מסוג N על ידי סימום המוליך למחצה בזרחן ומוליך למחצה מסוג P עם בורון.השילוב של מוליכים למחצה מסוג N ו-P יוצר את צומת ה-PN, מבנה חשוב בשבבים אלקטרוניים;זה מאפשר לבצע פעולות לוגיות ספציפיות (כגון עם שערים, או-שערים, לא-שערים וכו')
עם זאת, לגרמניום יש כמה בעיות קשות מאוד, כמו פגמי הממשק הרבים במוליך למחצה, היציבות התרמית הירודה והיעדר תחמוצות צפופות.יתרה מכך, גרמניום הוא יסוד נדיר, עם רק 7 חלקים למיליון בקרום כדור הארץ, וגם עפרות גרמניום מפוזרות מאוד.בגלל שגרמניום נדיר מאוד ואינו מרוכז, עלות חומרי הגלם לגרמניום נשארת גבוהה;דברים נדירים, והעלות הגבוהה של חומרי הגלם הופכת את טרנזיסטורי הגרמניום ללא זולים יותר, ולכן קשה לייצר טרנזיסטורי גרמניום בקנה מידה גדול.

החוקרים, אם כן, קפצו רמה והסתכלו על היסוד סיליקון.אפשר לומר שכל החסרים המובנים של הגרמניום הם היתרונות הטבועים של הסיליקון.

סיליקון הוא היסוד השני בשכיחותו אחרי חמצן, אבל בעצם אי אפשר למצוא מונומרים של סיליקון בטבע;התרכובות הנפוצות ביותר שלה הן סיליקה וסיליקטים.מתוכם, סיליקה היא בתורו אחד המרכיבים העיקריים של חול.בנוסף, תרכובות כגון פלדספאר, גרניט וקוורץ מבוססות כולן על תרכובות סיליקה-חמצן.

הסיליקון יציב תרמית, בעל תחמוצת קבועה דיאלקטרית צפופה, גבוהה, וניתן להכין אותו בקלות עם ממשק תחמוצת סיליקון-סיליקון עם מעט מאוד פגמים בממשק.

תחמוצת סיליקון אינה מסיסה במים (תחמוצת גרמניום מסיסה במים) ואינה מסיסה ברוב החומצות, מה שפשוט התאמה מושלמת לטכניקת הדפסת הקורוזיה המשמשת למעגלים מודפסים.התוצר של השילוב הזה הוא התהליך השטוח למעגלים משולבים שנמשך עד היום.
עמודי קריסטל סיליקון

מסעו של סיליקון לפסגה
מיזם כושל: אומרים ששוקלי ראה הזדמנות שוק ענקית בתקופה שבה אף אחד עדיין לא הצליח לייצר טרנזיסטור סיליקון;זו הסיבה שהוא עזב את Bell Labs ב-1956 כדי להקים חברה משלו בקליפורניה.למרבה הצער, שוקלי לא היה יזם טוב וניהול העסק שלו היה טיפש בהשוואה לכישוריו האקדמיים.אז שוקלי עצמו לא הגשים את השאיפה להחליף את הגרמניום בסיליקון, והבמה לשארית חייו הייתה הפודיום באוניברסיטת סטנפורד.שנה לאחר הקמתה ערקו ממנו בהמוניהם שמונת הצעירים המוכשרים שגייס, ו"שמונת הבוגדים" היו אלה שעמדו להשלים את השאיפה להחליף את הגרמניום בסיליקון.

עלייתו של טרנזיסטור הסיליקון

לפני שמונה הרנגאדים הקימו את Fairchild Semiconductor, טרנזיסטורי גרמניום היו השוק הדומיננטי בטרנזיסטורים, עם כמעט 30 מיליון טרנזיסטורים שיוצרו בארצות הברית ב-1957, מיליון טרנזיסטורי סיליקון בלבד וכמעט 29 מיליון טרנזיסטורים גרמניום.עם נתח שוק של 20%, טקסס אינסטרומנטס הפכה לענקית בשוק הטרנזיסטורים.
שמונה Renegades ו-Fairchild Semiconductor

הלקוחות הגדולים של השוק, ממשלת ארה"ב והצבא, רוצים להשתמש בשבבים בכמות גדולה בטילים ובטילים, להגדיל את עומס השיגור היקר ולשפר את האמינות של מסופי הבקרה.אבל הטרנזיסטורים יתמודדו גם עם תנאי הפעלה קשים הנגרמים מטמפרטורות גבוהות ורעידות אלימות.

גרמניום הוא הראשון להפסיד בכל הנוגע לטמפרטורה: טרנזיסטורי גרמניום יכולים לעמוד בטמפרטורות של 80 מעלות צלזיוס בלבד, בעוד שדרישות הצבא הן לפעולה יציבה גם ב-200 מעלות צלזיוס.רק טרנזיסטורי סיליקון יכולים לעמוד בטמפרטורה זו.
טרנזיסטור הסיליקון המסורתי

פיירצ'יילד המציא את תהליך הכנת טרנזיסטורי סיליקון, מה שהופך אותם לפשוטים ויעילים כמו ספרים מודפסים וזולים הרבה יותר מטרנזיסטורי גרמניום מבחינת המחיר.התהליך של Fairchild לייצור טרנזיסטורי סיליקון הוא גס כדלקמן.

ראשית, פריסה מצוירת ביד, לפעמים כל כך גדולה שהיא תופסת קיר, ואז הציור מצולם ומצטמצם לגיליון שקוף זעיר, לעתים קרובות עם שני נתיבים של שלושה גיליונות, שכל אחד מהם מייצג שכבת מעגלים.

שנית, שכבה של חומר רגיש לאור מונחת על פרוסות הסיליקון החלקות והמלוטשות, וה-UV/לייזר משמש להגנה על תבנית המעגל מפני יריעת ההארה על גבי פרוסת הסיליקון.

שלישית, אזורים וקווים בחלק הכהה של יריעת ההארה משאירים דפוסים לא חשופים על פרוסת הסיליקון;הדפוסים הלא חשופים הללו מנוקים בתמיסת חומצה, ומוסיפים זיהומים מוליכים למחצה (טכניקת דיפוזיה) או מצופים מוליכים מתכתיים.

רביעית, חזרה על שלושת השלבים לעיל עבור כל רקיק שקוף, ניתן להשיג מספר רב של טרנזיסטורים על פרוסות סיליקון, אשר נחתכות על ידי עובדות תחת מיקרוסקופ ולאחר מכן מחוברות לחוטים, לאחר מכן נארזות, נבדקות ונמכרות.

עם טרנזיסטורי הסיליקון הזמינים בכמויות גדולות, שמונת המייסדים העריקים של Fairchild היו בין החברות שיכלו לעמוד לצד ענקים כמו טקסס אינסטרומנטס.

הדחיפה החשובה - אינטל
ההמצאה שלאחר מכן של המעגל המשולב היא שסיכמה את הדומיננטיות של גרמניום.באותה תקופה היו שני קווי טכנולוגיה, אחד למעגלים משולבים על שבבי גרמניום מבית Texas Instruments ואחד למעגלים משולבים על שבבי סיליקון מבית Fairchild.תחילה ניהלה בין שתי החברות מחלוקת עזה על הבעלות על הפטנטים על המעגלים המשולבים, אולם בהמשך הכיר משרד הפטנטים בבעלות שתי החברות על הפטנטים על המעגלים המשולבים.
עם זאת, ככל שהתהליך של פיירצ'יילד היה מתקדם יותר, הוא הפך לסטנדרט למעגלים משולבים וממשיך להיות בשימוש היום.מאוחר יותר, נויס, ממציא המעגל המשולב, ומור, ממציא חוק מור, עזבו את Centron Semiconductor, שאגב, שניהם חברים ב"שמונה הבוגדים".יחד עם גרוב, הם יצרו את מה שהיא כיום חברת שבבי המוליכים למחצה הגדולה בעולם, אינטל.
שלושת המייסדים של אינטל, משמאל: גרוב, נויס ומור

בפיתוחים הבאים, אינטל דחפה שבבי סיליקון.היא ניצחה ענקיות כמו טקסס אינסטרומנטס, מוטורולה ו-IBM והפכה למלך מגזר האחסון והמעבדים של מוליכים למחצה.

כשאינטל הפכה לשחקנית הדומיננטית בתעשייה, הסיליקון סיים גם את הגרמניום, ומה שהיה פעם עמק סנטה קלרה שונה ל"עמק הסיליקון".מאז, שבבי סיליקון הפכו למקבילה של שבבי מוליכים למחצה בתפיסה הציבורית.

עם זאת, לגרמניום יש כמה בעיות שקשה מאוד לפתור, כמו פגמי ממשק רבים של מוליכים למחצה, יציבות תרמית ירודה והיעדר תחמוצות צפופות.יתרה מכך, גרמניום הוא יסוד נדיר, עם רק 7 חלקים למיליון בקרום כדור הארץ, וגם עפרות גרמניום מפוזרות מאוד.בגלל שגרמניום נדיר מאוד ואינו מרוכז, עלות חומרי הגלם לגרמניום נשארת גבוהה;דברים נדירים, והעלות הגבוהה של חומרי הגלם הופכת את טרנזיסטורי הגרמניום ללא זולים יותר, ולכן קשה לייצר טרנזיסטורי גרמניום בקנה מידה גדול.

החוקרים, אם כן, קפצו רמה והסתכלו על היסוד סיליקון.אפשר לומר שכל החולשות המובנות של הגרמניום הן החוזקות הטבועות של הסיליקון.

סיליקון הוא היסוד השני בשכיחותו אחרי חמצן, אבל בעצם אי אפשר למצוא מונומרים של סיליקון בטבע;התרכובות הנפוצות ביותר שלה הן סיליקה וסיליקטים.מתוכם, סיליקה היא בתורו אחד המרכיבים העיקריים של חול.בנוסף, תרכובות כגון פלדספאר, גרניט וקוורץ מבוססות כולן על תרכובות סיליקה-חמצן.

הסיליקון יציב תרמית, בעל תחמוצת קבועה דיאלקטרית צפופה, גבוהה, וניתן להכין אותו בקלות עם ממשק תחמוצת סיליקון-סיליקון עם מעט מאוד פגמים בממשק.

תחמוצת סיליקון אינה מסיסה במים (תחמוצת גרמניום מסיסה במים) ואינה מסיסה ברוב החומצות, מה שפשוט התאמה מושלמת לטכניקת הדפסת הקורוזיה המשמשת למעגלים מודפסים.התוצר של השילוב הזה הוא התהליך המישורי של המעגל המשולב שנמשך עד היום.