Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Robert Noyce en 1966, durante su época de Director General de Fairchild Semiconductors. Tiene en sus manos un “layout” de un circuito integrado

Tras analizar los orígenes y alguna de las principales innovaciones que introdujo Fairchild Semiconductors en la tecnología electrónica, aquí vamos a ver la gestación del concepto del circuito integrado (CI) por parte de Robert Noyce, que daría lugar al primer CI viable comercialmente, que significó la segunda gran innovación de Fairchild en la tecnología microelectrónica, tras el proceso planar de Jean Hoerni.

A lo largo de su carrera profesional, Noyce fue físico teórico, inventor, director general de dos empresas, inversor de capital riesgo y al final de su trayectoria, principal portavoz de la industria estadounidense de semiconductores. Sus colegas y competidores le llamaban "el alcalde de Silicon Valley". Parte de las reflexiones de Noyce recogidas en este artículo provienen de las conversaciones que mantuvo con el periodista Thomas R. Reid, que este recogió en un magnífico libro: “The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution”

1. Los inicios: Shockley Semiconductors

Un día de enero de 1956, Noyce recibió una llamada telefónica de William B. Shockley. Shockley le explicó que dejaba los Bell Labs y se trasladaba a California para fundar una nueva empresa que fabricaría transistores. La pregunta fue directa: ¿Le interesaría a Noyce una entrevista de trabajo?

"Fue como descolgar el teléfono y hablar con Dios. Era la persona más importante en la electrónica de semiconductores. Conseguir ese trabajo significaba que definitivamente estarías jugando en las grandes ligas".

Consiguió el empleo y se puso a trabajar con Shockley en el desarrollo de un transistor de doble difusión (no entraré en los detalles de la técnica, muy especializado y sin interés para el desarrollo del artículo). A principios de la década de 1950, los fabricantes de transistores probaron multitud de técnicas diferentes para fabricarlos. El proceso que finalmente demostró ser el mejor fue un procedimiento llamado difusión, nacida, como tantos otros, en los Bell Labs. La doble difusión hizo posible, por primera vez, la producción masiva de transistores fiables. La técnica prometía ser muy rentable para cualquier empresa que pudiera dominar sus entresijos técnicos. Por ello Shockley, con el respaldo financiero de Arnold Beckman, creó una empresa para producir transistores de doble difusión. Shockley reclutó a las mejores mentes jóvenes que pudo encontrar, entre ellas Noyce, Gordon Moore y Jean Hoerni.

A principios de 1956, Shockley Semiconductor Laboratories abrió sus puertas en el Nº391 de San Antonio Road (Mountain View, California); fue la primera empresa de electrónica de lo que se convertiría en Silicon Valley. En el despacho de Robert Noyce colgaba una foto en blanco y negro que mostraba a un jovial grupo de jóvenes científicos brindando con champán por el sonriente William Shockley.

William Shockley (sentado, primero por la derecha) celebra la concesión del Premio Nobel de Física de 1956 junto a sus colaboradores, entre ellos Gordon Moore (arriba, tercero desde la izquierda), Robert Noyce (arriba, cuarto desde la izquierda), Sheldon Roberts (sentado, segundo por la izquierda) y Jay Last (arriba, primero por la derecha)

La foto fue tomada el 1 de noviembre de 1956, pocas horas después de que la noticia del Premio Nobel de física de 1956 se diera a conocer. El Premio se le había concedido a Shockley, compartido con John Bardeen y Walter Brattain por la invención del transistor. Sin embargo, en aquel momento la empresa se había convertido en un lugar caótico. A pesar de sus conocimientos técnicos, Shockley había demostrado ser un pésimo gestor, ya que cambiaba continuamente a sus investigadores de un trabajo a otro, no parecía poder decidirse sobre lo que la empresa quería producir, si es que quería producir algo. Aquello acabó como el rosario de la aurora y ocho de aquellos ingenieros abandonaron la empresa y fundaron Fairchild Semiconductor, tal y como vimos en un artículo anterior.

2. La concepción de la idea monolítica de Noyce

Los hombres que fundaron Fairchild Semiconductor en 1957 estaban decididos a fabricar transistores de doble difusión, pero también buscaban cualquier otro producto que pudiera dar beneficios. Como vimos en un artículo anterior, no hacía falta ser un genio para identificar el problema más importante al que se enfrentaba la industria electrónica en aquellos tiempos: la tiranía de los números. Durante 1957 y 1958, Noyce no dejó de darle vueltas al problema de las interconexiones entre los componentes de un circuito electrónico. Años después, se lamentaba de no haber tenido antes la idea:

"Estábamos en una fábrica que fabricaba los transistores en una sola oblea y luego los cortábamos en trozos diminutos y teníamos que contratar a miles de mujeres para que los cogieran e intentaran conectarlos mediante el uso de pinzas. Parecía una estupidez. Era caro, poco fiable y limitaba claramente la complejidad de los circuitos que se podían construir. Era un problema agudo. La respuesta, por supuesto, era no separarlos. Pero nadie se dio cuenta entonces".

Como ya vimos en el artículo anterior, un día de 1958, Jean Hoerni acudió a Noyce con una solución teórica a otro problema que sufrían los transistores fabricados por la empresa: los cortocircuitos que provocaba la contaminación. Hoerni sugería colocar una capa de SiO₂ sobre el transistor. El óxido se adheriría al silicio y lo protegería de los contaminantes. Noyce relató esto de la siguiente forma:

"Era como montar un quirófano en la jungla. Ponías al paciente [el transistor] dentro de una bolsa de plástico [el SiO₂], lo operabas dentro de ella y así, no tenías a todas las moscas de la selva [los contaminantes] posadas sobre la herida."

Los responsables de Fairchild reconocieron en la idea de Hoerni (el proceso planar) un avance importante en la tecnología de transistores. Noyce llamó rápidamente al abogado de patentes de la empresa, John Ralls, para que preparara una solicitud de patente para esa idea. Ralls, intuyendo que la idea planar podría tener otras aplicaciones, sugirió redactar la solicitud en un lenguaje lo más amplio posible. Cada vez que hablaban de la patente, Ralls planteaba un reto: “¿Qué más se puede hacer con esta idea?”. En las primeras semanas de 1959, Noyce estuvo dándole vueltas a esa pregunta, compartiendo sus reflexiones con su amigo Gordon Moore.

Al estudiar la idea de Hoerni, Noyce se dio cuenta de que tenía otra propiedad útil. En aquella época era bastante difícil realizar conexiones eléctricas precisas en las distintas regiones de un transistor, porque los cables eran relativamente grandes en comparación con las diminutas regiones del dispositivo. La capa de SiO₂ depositada sobre el transistor de silicio, ayudó a resolver este problema. Los cables de conexión podían introducirse a través del SiO₂, en el punto exacto donde se necesitaba la conexión. El óxido se encargaría de mantenerlos en su sitio. Y de ahí surgió una idea aún mejor: no se necesitarían cables. Noyce se dio cuenta de que se podían evaporar pequeñas líneas de algún metal encima de la capa de óxido en lugar de atravesarlas con un alambre metálico. La ventaja de este método es que la evaporación es un proceso industrial más rápido que alinear e insertar pequeños alambres. Con las conexiones así depositados sobre la capa de óxido, todas las interconexiones del transistor y todos los cables, podrían hacerse de una sola vez en un único proceso de fabricación.

Más aún, si se pudieran conectar las distintas regiones de un único transistor con estas líneas metálicas evaporadas, se podrían colocar dos transistores distintos en una sola pieza de silicio y conectarlos con las líneas metálicas de conexión. ¿Y por qué limitarse a los transistores? Si se podían poner dos transistores en un solo chip de silicio, ¿no se podrían construir otros componentes del circuito en la misma pieza de semiconductor. Una resistencia, un condensador? ¿No se podría, de hecho, construir un circuito completo, un circuito integrado, todo en una única pieza de silicio? ¿No se superaría así la tiranía de los números? En la entrevista mencionada, Noyce dijo:

"No recuerdo ningún momento en el que se encendiera una bombilla y todo estuviera ahí. Era más bien como si, cada día, te dijeras: bueno, si pudiera hacer esto, entonces quizá podría hacer aquello y eso me permitiría hacer esto otro y al final tenías el concepto [del CI]".

Como veremos más adelante en otro artículo, el viaje intelectual de Noyce hacia la idea monolítica comenzó en un punto de partida diferente al de Jack Kilby (el otro científico responsable de la “paternidad” del CI, como ya vimos en el primer artículo de esta serie), pero llegó al mismo destino. Kilby había tenido primero la idea disparatada de construir todos los elementos del circuito en un único bloque semiconductor; como añadido, se dio cuenta de que los distintos elementos podían conectarse mediante “cables” depositados o añadidos en el mismo bloque. Noyce, por su parte, llegó primero a la idea de formar los cables de conexión en el chip semiconductor y pasó de ahí a la idea de poner todos los elementos del circuito en una sola pieza de semiconductor. Ambas vías condujeron al circuito integrado monolítico, pero en direcciones opuestas: de las conexiones al circuito integrado (Noyce), del circuito integrado a las conexiones (Kilby).

El 23 de enero de 1959, “todos los pedazos y piezas se juntaron” y Noyce llenó cuatro páginas de su cuaderno de laboratorio con una descripción extraordinariamente completa de un circuito integrado.

Las primeras líneas del cuaderno de laboratorio de Noyce, donde recoge la idea del circuito integrado

El primer párrafo dice lo siguiente:

"En muchas aplicaciones, sería deseable fabricar múltiples dispositivos en una sola pieza de silicio, para poder realizar interconexiones entre dispositivos como parte del proceso de fabricación y reducir así el tamaño, el peso, etc., así como el coste por elemento activo."

Noyce pasaba después a explicar cómo se podían fabricar resistencias y condensadores en una pieza de silicio y cómo se podía conectar todo el circuito monolítico mediante contactos metálicos evaporados directamente en el semiconductor. Seis meses después de que Jack Kilby llegara a la idea monolítica, Robert Noyce hizo el mismo recorrido. El viaje de Kilby había sido algo más rápido, pero el uso del proceso planar hizo que la ruta de Noyce fuera la única comercialmente viable.

3. La patente y la pugna con Texas Instrument

Las noticias vuelan en la industria electrónica. En la primavera de 1959, los rumores sobre un nuevo desarrollo importante en Texas Instruments (T.I.) habían llegado a Fairchild. Nadie sabía exactamente qué había hecho T.I., pero no era difícil adivinarlo. Noyce llamó de nuevo a Ralls y pidió al abogado que preparara una solicitud de patente para una nueva idea: "una estructura de circuito unitaria...para facilitar la inclusión de numerosos dispositivos semiconductores dentro de un único cuerpo de material". Esta vez, Ralls decidió redactar una solicitud de patente detallada y precisa, un documento que pudiera servir de defensa para proteger a Fairchild contra cualquier posible acción legal de T.I.. Los dibujos esenciales de la patente donde se detalla tal circuito los muestro a continuación:

Patente de Noyce para un circuito integrado

Esta decisión estratégica se convertiría en el factor clave de una desagradable y antipática batalla legal librada por ambas empresas que duró cerca de diez años y que llegó hasta Tribunal Supremo de los EE. UU. Los litigios legales por la patente del circuito integrado los veremos con detalle más adelante, pero falta todavía para llegar a eso, en el siguiente artículo veremos cómo plasmó Fairchild la idea de Noyce en un dispositivo comercial.