Een revolutie uit één stuk

Onder techniekhistorici is het een beetje een grapje: wat als Jack Kilby in de zomer van 1958 gewoon wél op vakantie was gegaan, in plaats van de chip uit te vinden?

Had de geïntegreerde schakeling, de IC of de chip zoals het ding in de volksmond heet, dan gewoon een paar weken later het licht gezien? Of was Kilby dan door het reguliere onderzoek in beslag genomen, en had het dan nog jaren geduurd?

Feit is dat Jack Kilby, een boom van een elektronicus uit Kansas, een halve eeuw geleden, op 12 september 1958, zijn superieuren bij Texas Instruments een smalle flinter germaniumkristal van iets meer dan een centimeter lang toonde, waar haardunne gouddraadjes op zaten. Kilby zette 10 volt op twee contacten, en op het groene scherm van een oscilloscoop gloeide een lus op die maar één ding kon betekenen: het plakje werkte als een elektrische oscillator.

Triviaal
Zoiets is een betrekkelijk triviale elektronische schakeling, die echter in die tijd normaal gesproken zou zijn uitgevoerd als drie losse componenten: een transistor, een weerstand en een condensator. Zoals alle elektronica uit die dagen, van radio’s tot klokken, bij elkaar gesoldeerd op een printplaatje.

Maar op Kilby’s kristal waren alleen de draden te zien, verder niks. De drie actieve componenten bevonden zich in het kristal zelf. De gouddraden verbonden gebiedjes op het oppervlak van hetzelfde kristal die waren geprepareerd om zich te gedragen als transistor, weerstand en condensator.

Bij Texas Instruments, fabrikant van micro-elektronica voor consumenten en vooral de militaire markt, werden uit overwegingen van efficiëncy de werknemers allemaal tegelijk met vakantie gestuurd. Kilby was echter vlak voor de zomer aangenomen en had nog geen vakantierechten. Dus bleef hij in het lab, met weinig om handen en – nog belangrijker – zonder onderzoeksopdracht of iemand die hem op de vingers keek. Alle ruimte voor de dagdromen van een ambitieuze elektronicus.

Al vroeg in de jaren vijftig realiseerden experts zich de beperkingen van de micro-elektronica, zoals die na de uitvinding van de transistor (1948, Bell Labs) in een razend tempo gemeengoed was geworden.

Weliswaar waren er geen lompe en energie vretende vacuümbuizen meer nodig voor een elektronische schakeling, maar ook printplaten met duizenden soldeerpunten werden al snel te ingewikkeld en kwetsbaar voor fouten. Hoe goed vrouwenhanden die ook bij miljoenen in elkaar wisten te zetten uit transistoren, weerstanden, diodes en condensatoren.

Schakelingen
Elektronici droomden van schakelingen zonder losse componenten en verbindingsdraden. Het monolithische geïntegreerde circuit, heette het visioen in vaktermen.

Probleem leek alleen dat de productie van transistoren nog steeds niet vlekkeloos lukte. Ze werden met honderden tegelijk op plakken silicium gemaakt, maar daarna losgesneden en na individuele tests apart in schakelingen gesoldeerd. Een hele schakeling op één plakje silicium leek vooral vragen om heel veel afgekeurd spul.

Op 24 juli 1958 zag dagdromer Kilby in zijn uitgestorven fabriek niettemin het licht. In amper vijf pagina’s van zijn aantekenboek schreef hij neer hoe je van de halfgeleider silicium met slimme manipulaties de vier basiscomponenten van de elektronica kunt maken, van weerstand tot diode.

Dat was een doorbraak, maar ging ook in tegen de common sense onder elektronici. Er waren immers wel goedkopere manieren om weerstandjes of diodes te maken. Het voordeel, noteerde Kilby echter ook, was dat alle componenten in dezelfde plak silicium te maken waren. Per saldo, schatte hij, was dat toch aantrekkelijker.

Verplichte vakantie
Dat dacht Kilby’s nieuwe baas bij Texas Instruments Willis Adcock ook, toen die van zijn verplichte vakantie terug was. Hij gaf Kilby opdracht een schakelingetje van zijn losse siliciumcomponenten te maken, nog wel met draden en soldeer ertussen, om te laten zien wat het waard was. Eind augustus volgde de eerste test. Het werkte.

Een dikke week later volgde op 12 september de eerste echte geïntegreerde schakeling, uitgevoerd in een ander halfgeleidermateriaal: germanium, omdat Texas Instruments het geschikte silicium op dat moment niet ter beschikking had. Ook die werkte.

Toch, schrijft bijvoorbeeld techniekhistorica Lillian Hoddeson in haar boek Crystal Fire (1997) over de geschiedenis van de micro-elektronica, realiseerde nog bijna niemand zich welke revolutie de vinding inluidde. Texas Instruments begon simpele microschakaars, flip-flops geheten, met de techniek te maken, bestaande uit twee transistoren op één chip ter grootte van een potloodpunt.

Maar pas toen het – naar later bleek ongegronde – gerucht de kop op stak dat een grote concurrent, RCA, met een octrooi op een geïntegreerd circuit in de weer was, gingen ook Kilby en de juristen van TI aan de slag.

Op 6 februari 1959 dienden ze de allereerste octrooiaanvraag ter wereld in op ‘geminiaturiseerde elektronische circuits’. In maart presenteerde Texas Instruments zijn eerste solid circuit op de jaarbeurs van het Institute for Radio Engineers in New York.

Met stomheid geslagen
Collega’s uit de branche waren met stomheid geslagen, met uitzondering van een klein bedrijfje in Californië: Fairchild van ondermeer de latere Intel-topman Gordon Moore (de man van de Wet van Moore, zie kader). Bij Fairchild had halfgeleidertechnicus Robert Noyce (1927-1990) begin januari ook ingezien hoe je op een plak silicium alle basiscomponenten voor schakelingen realiseert. Anders dan Kilby kon hij wél aan de slag met silicium, dat veel goedkoper is dan germanium.

Op 30 juli 1959 diende Fairchild een octrooiaanvraag in, die vooral vastlegde hoe je met etsen en maskeren microscopische metaalverbindingen maakt tussen componenten van een IC, iets waar Kilby nog niet goed uit was gekomen. Een kleine twee jaar later, op 25 april 1961, kende het Amerikaanse Patent Office zijn eerste octrooi voor een geïntegreerde schakeling zelfs toe aan Noyce van Fairchild toe, en niet aan Texas Instruments. Waarschijnlijk, aldus historica Lillian Hoddeson, omdat dat die aanvraag minder algemeen was dan die van Kilby en Texas Instruments. En dus toetsbaarder leek.

In 2000, het millenniumjaar met een hoog symbolisch gehalte, liet het Nobelprijscomité zich echter niet van de wijs brengen. Jack Kilby kreeg de helft van de Nobelprijs voor natuurkunde. Of Noyce hem ook zou hebben gekregen is de grote vraag. De Nobelprijs wordt nooit postuum toegekend.

Vast staat dat de andere helft ging naar Zhores Alferov en Herbert Kroemer, de uitvinders van de opto-elektronica, de combinatie van micro-elelektronica met licht, volgens velen de volgende technologische revolutie. Verleden en toekomst op het raakpunt van twee millennia.

Van fabrikant NXP (ANP)
Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.