Una breve storia del transistor MOS, parte 3: Frank Wanlass

Non sorprende affatto che all'inizio degli anni '60 le aziende di semiconduttori fossero riluttanti a investire molte energie nello sviluppo dei MOSFET. I primi MOSFET erano 100 volte più lenti dei transistor bipolari ed erano considerati instabili, per una buona ragione: le loro caratteristiche elettriche variavano in modo grave e imprevedibile con il tempo e la temperatura. Sarebbe necessario molto lavoro di ricerca e sviluppo per trasformare i MOSFET in componenti elettronici affidabili. Tuttavia, quando Fairchild Semiconductor assunse Frank Wanlass, il MOSFET trovò il suo campione. Wanlass era impegnato con il MOSFET, non con qualche azienda. È andato ovunque e ha fatto tutto il possibile per promuovere lo sviluppo del MOSFET. Divenne il Johnny Appleseed della tecnologia MOS (semiconduttore a ossido di metallo), piantando liberamente semi MOSFET, quando e dove.

Fairchild assunse Wanlass nell'agosto del 1962 dopo aver conseguito il dottorato in fisica presso l'Università dello Utah. Si era interessato alla tecnologia MOS quando aveva letto del lavoro della RCA con i FET a film sottile di solfuro di cadmio (CdS) mentre studiava per il suo dottorato in fisica dello stato solido. La semplicità della struttura del dispositivo FET lo ha prima incuriosito e poi ossessionato. Si rese conto che la struttura semplice del FET significava che molti FET sarebbero stati inseriti su un die di semiconduttore e concepì di costruire circuiti integrati complessi (IC) utilizzando questi dispositivi. Ma i FET CdS a film sottile della RCA erano troppo instabili. Anche se lasciati su uno scaffale per alcune ore, le loro caratteristiche elettriche variavano drasticamente. Wanlass pensava che realizzare FET con silicio anziché CdS avrebbe risolto il problema della deriva parametrica. Aveva torto, a quanto pare. I FET dei semiconduttori hanno sofferto di deriva per diversi anni fino a quando il processo di produzione dei MOS non è stato sufficientemente pulito per eliminare i contaminanti che causavano la deriva parametrica dei FET.

Quando Wanlass si unì al gruppo di ricerca e sviluppo di Gordon Moore presso Fairchild, la politica dell'azienda prevedeva che i nuovi dottorandi assunti lavorassero su qualsiasi progetto volessero intraprendere. Wanlass ha deciso di concentrarsi sui MOSFET, anche se il dipartimento di Moore non era particolarmente interessato a realizzare i dispositivi. Tuttavia, il dipartimento di Moore era estremamente interessato all'elaborazione MOS, perché quella era la struttura di base e la natura del processo di produzione planare di Jean Hoerni, che Fairchild utilizzava per realizzare transistor bipolari e circuiti integrati. Qualsiasi maggiore comprensione del processo planare e qualsiasi miglioramento apportato alla tecnologia del processo aumenterebbe la capacità di Fairchild di produrre transistor bipolari e circuiti integrati.

Wanlass non era interessato a studiare o analizzare le caratteristiche del processo MOS. Voleva fabbricare MOSFET discreti, costruire circuiti integrati con MOSFET e progettare circuiti a livello di sistema utilizzando tali dispositivi per alimentare la domanda dei componenti. L’anno successivo fece esattamente questo. In meno di sei mesi, Wanlass ha progettato e fabbricato singoli MOSFET a canale p e n in silicio utilizzando il processo planare. Tutti i dispositivi a canale p hanno mostrato una grave deriva parametrica, mentre nessuno dei dispositivi a canale n ha funzionato affatto. Ha testato la deriva parametrica dei dispositivi a canale p inserendoli in un tracciatore di curve e riscaldandoli con un accendisigari. Ha quindi progettato e fabbricato un circuito integrato flip-flop utilizzando MOSFET e ha ottenuto un'incredibile resa del wafer superiore all'80%. Ha sviluppato circuiti applicativi per MOSFET incluso un misuratore di corrente che sfruttava l'impedenza di ingresso estremamente elevata del MOSFET.

Lungo il percorso, Wanlass e il suo manager CT Sah hanno brevettato l'idea dei circuiti CMOS, che combinano MOSFET a canale p e n su un unico die di silicio. CMOS è la tecnologia dei transistor fondamentale per quasi tutti i circuiti integrati attualmente prodotti. (Nota: Sah è spesso indicato come l'unico inventore di CMOS, ma il suo nome è sul brevetto perché era il manager di Wanlass, ed era consuetudine elencare il manager insieme all'inventore nella domanda di brevetto.)

All'inizio del 1963, Gordon Moore iniziò ad assumere più persone per analizzare in modo più approfondito la tecnologia del processo MOS. Tuttavia, non era interessato a studiare i MOSFET. Voleva semplicemente comprendere meglio il processo planare dei semiconduttori a ossido di metallo in modo che Fairchild potesse realizzare transistor e circuiti integrati bipolari migliori. Il gruppo di analisi divenne Bruce Deal, Andrew Grove e Ed Snow. Non sono stati inseriti in un team formale, ma hanno presto scoperto l'un l'altro e i loro compiti complementari attraverso interazioni casuali in ufficio. Deal ha lavorato sull'ossidazione e sugli stati superficiali. Snow ha analizzato le instabilità transitorie del MOS. Grove ha scritto programmi per modellare le analisi.