Jack St. Clair Kilby



"A csip, amit Jack készített, megváltoztatta a világot" - mondták munkatársai Jack Kilbyről, az integrált áramkör feltalálójáról. Nem túloztak, hiszen az integrált áramkörök egész életmódunkra kiható változásokat hoztak. Nélkülük nem lennének asztali és hordozható számítógépek, nem lenne internet és mobiltelefon, csipkártya és fedélzeti számítógéppel vezérelt autó - és e sort még nagyon sokáig folytathatnánk.

Ahhoz, hogy megértsük a felfedezés lényegét, meg kell ismerkednünk az áramkörök felépítésével. Egy elektronikus áramkör többféle alkatrészből áll: a tranzisztorok mellett ellenállásokra, kondenzátorokra is szükség van, és természetesen vezetékekre, amelyek ezeket az alkatrészeket összekötik. A korábbi gyakorlat szerint ezeket az alkatrészeket külön-külön állították elő, és forrasztással, a ma is használt nyomtatott áramköri lapokon, esetleg kerámialapkákon kapcsolták össze áramkörré. Az ellenállások anyaga szén- vagy fémréteg volt, a kondenzátorok dielektrikuma kerámia vagy muanyagfólia. A legváltozatosabb anyagokat használták tehát, s csak a tranzisztorok készültek félvezetőből.

Jack Kilby fiatal mérnökként ötvözött tranzisztorok előállításával és hallásjavító készülékek tervezésével foglalkozott a Centralab cégnél. Hat év munka után, nagyobb szakmai kihívásokat keresve 1958 májusában lépett át a Texas Instruments céghez. Először a mikromodul néven ismert áramkörépítési technika fejlesztését, gazdaságossá tételét kapta feladatul. Közben eljött a nyár, kollégái mind szabadságra mentek, de ő, mint frissen belépett munkatárs, a laborban kellett töltse a nyarat. Szinte egyedül, így azután bőséges ideje maradt nyugodt gondolkodásra.
A költségek elemzése adta a nagy ötletet. Arra jutott, hogy "egy félvezetős cégnél az egyetlen dolog, amit gazdaságosan gyártani tudnak, a félvezető". Innen már csak egy lépés volt a korszakos felismerés: az áramkör minden alkatrészétfélvezetőből kell készíteni, az ellenállásokat, kondenzátorokat is! Ha ezek ugyanazon anyagból vannak, nem kell őket külön-külön elkészíteni, hanem egyetlen félvezető darabkában, egymás mellett előállíthatók. Ezt az elképzelést, ami az integrált áramkörök alapgondolata, Kilby 1958 júliusában jegyezte fel. S mire a főnöke megjött szabadságról, egy komplett áramkör terveivel állt elő.

Ezek a tervek mai szemmel nézve meglehetősen kezdetlegesek voltak, az elképzelt áramkör mindössze néhány alkatrészt tartalmazott. Arra mindenesetre alkalmas volt, hogy kísérletileg bizonyítsák: valóban lehetséges egy áramör minden alkatrészét egyetlen félvezető darabkában létrehozni. Így azután a kísérlet szabad utat kapott. Az első kiválasztott áramkör egy egytranzisztoros RC oszcillátor volt. Egy kb. 2,5´10 mm méretu, germániumból készült félvezető csíkon hoztak létre tranzisztort. Az ellenállásokat a germánium csík teste adta, a kapacitást diffúziós területtel valósították meg. A szükséges összekötő vezetékeket vékony aranyhuzalból készítették.

Nyilvánvaló, hogy ez a kísérlet az alkatrészek integrálásának csak a lehetőségét igazolta, a gyakorlati felhasználáshoz még egy sor súlyos problémát kellett megoldani. Lényeges volt K.Lehovec ötlete, aki az egy csipben szomszédosan megvalósított tranzisztorok elszigetelésére lezárt pn-átmeneteket használt. A bipoláris IC-k legnagyobb részében ma is ezt a megoldást alkalmazzák. Igen fontos lépés volt R. N. Noyce hozzájárulása, aki arról is ismert, hogy (G. E. Moore-ral együtt) ő dolgozta ki a ma használatos planáris félvezető technológiát. A Fairchild cégnél dolgozó Noyce jött rá, hogy az egy félvezető darabkában készült alkatrészek összekötésére a felületre felpárologtatott fémréteg a leginkább alkalmas. Érdemes kiemelni, hogy ezt a lehetőséget vele gyakorlatilag egy időben Kilby is leírta. A kérdésben lefolyt szabadalmi vitában a bíróság végül is Noyce elsőbbségét állapította meg.
Lássuk most egy metszeti rajzon, hogyan is néz ki ma egy egyszeru integrált áramkör! A 3. ábránegyetlen tranzisztort és egy hozzá kapcsolódó ellenállást látunk. A ptípusú hordozóra először n típusú epitaxiális réteget növesztenek. Ezt a szigetelés- diffúzióval különálló területekre, "zsebekre" szabdalják. A jobb oldali szigetben a ptípusú diffúziós csík ellenállást valósít meg. A bal oldali szigetben p majd n diffúzió egymás utáni alkalmazásával létrejön az n-p-n szerkezet, a tranzisztor. A felületen alumínium fémcsík kapcsolja a tranzisztor kollektorát az ellenállás egyik végéhez. Érdemes megfigyelni, hogyan "integrálódnak" itt a különböző kutatók legjobb ötletei. A tranzisztort és az ellenállást ugyanazon félvezető lapkából alakítjuk ki - ez Kilby gondolata. Az egyes alkatrészek különálló zsebekbe kerültek, s lezárt pn-átmenetek választják el ezeket egymástól - ezt először Lehovecz írta le. A vezetékezést a felületre párologtatott fémréteg hozza létre, Noyceelképzelésének megfelelően.

Jack Kilby nem csak az integrált áramkör születésénél bábáskodott. Az ő nevéhez kapcsolódik az integrált áramköri technika néhány ma már mindennapos, de születésekor forradalminak ható alkalmazása is. A Texas Instruments elnöke 1964-ben elhatározta egy széles körben használható termék kifejlesztését, amely meggyőzően mutatja az integrált áramkörök által kínált szédületes lehetőségeket. A választás az elektronikus számológépre esett. Kilby megbízást kapott, hogy egy 100 dollárért kapható, zsebben elférő számológépet építsen - ami az akkori IC technika határait feszegető feladat volt. A Pocketronic számológépet végül is 1971-ben dobták piacra, s valószínuleg ez volt az az eszköz, amelynek kapcsán a mindennapok embere először szembesült az integrált áramkörrel, annak teljesítőképességével.