MICRO-ELEKTRONICA
Een nieuwe revolutie
PRODUKT VAN HET
RUIMTEVAART-TIJDPERK
perspectief
COMPUTERS:
SNELLERGOEDKOPER EN BETROUWBAARDER
Lichtsnelheid
Carrière van transistor
Halfgeleider-techniek
Kostendaling
Naar „vestzak"-computers
In de nog jonge wetenschap
van de elektronica is een
nieuwe revolutie aan de
gang. Het is de revolutie van
de micro-miniaturisering. Wie
vandaag het voorrecht heeft bin
nen te treden in de stofvrije, air
conditioned klinieken van de
met een aureool van almacht
omgeven elektronica-specialis-
ten krjjgt wonderen te zien
waarin 10 jaar geleden nog nie
mand geloofde. De transistor die
in 1955 in commerciële produk-
tie kwam en nieuwe wegen
opende voor de vervaardiging
van superkleine radio-ontvan
gers en gehoor-apparaten, is nu
een hopeloos lomp en ondoelma
tig ding vergeleken met de com
plete circuits van enkele tiental
len transistoren, dioden en weer
standen die alleen onder een
sterke microscoop goed zicht
baar zjjn. Waarom deze koorts
achtige ontwikkeling naar steeds
kleinere elektronische compo
nenten? De meeste clcktronica-
ingenieurs zullen het paradoxa
le antwoord geven dat het in fei
te helemaal niet 0111 miniatu
risering begonnen is. De bal is
aan het rollen gebracht door een
aantal collega's uit de ruimte
vaartindustrie. Voor de Ameri
kaanse ballistische raketten en
ruimtevaartuigen moesten in de
vijftiger jaren radio- en naviga-
tieapparatuur, computers en re
gistratiesystemen worden ge
bouwd die zo klein en licht mo
gelijk waren. De onderzoekin
gen naar de mogelijkheden om
elektronische circuits steeds
kleiner te maken brachten een
lawine van nieuwe fundamen
tele inzichten en mogelijkheden
met zich mee. Men ontdekte
nieuwe eigenschappen van som
mige vaste stoffen. En men vond
methoden om volledige schake
lingen met verschillende func
ties in deze vaste stoffen te „in
tegreren". En dit werd de wer
kelijke drijfveer voor de ver
kleiningswoede. De elektronica-
mensen weten nu dat de micro
scopische geïntegreerde circuits
de weg openen naar veel snelle
re, veel goedkopere en veel be
trouwbaarder elektronische ap
paratuur.
In „Scientific American" onthul
len de Amerikaanse elektronica-
specialisten William C. Hittinger en
Morgan Sparks van Bell Telephone
Laboratories dat de micro-techniek
het thans mogelijk maakt een com
plete schakeling bestaande uit 10
tot 20 transistoren en 40 tot 60
weerstanden te „bouwen" in een
stukje silicium van 2,5 of 1,3 milli
meter in het vierkant. Tussen de
100 en 500 van zulke „geïntegreerde"
circuits kunnen gelijktijdig worden
gefabriceerd op een silicium-,.wa
fel" met een diameter van 2,5 cm
en een dikte van niet meer dan
0,25 mm.
Met de nieuwe micro-techniek is
het nauwelijks duurder om 100 cir
cuit-elementen op een enkel stuk si
licium te maken dan één, 10 of 50.
Belangrijker nog is dat de 100 ele
menten samen een eenheid vormen.
Dit maakt de schakeling niet alleen
betrouwbaarder maar ook gemak
kelijker in te bouwen in het systeem
waarvoor zij bedoeld is. Een goede
transistor kostte als afzonderlijke
eenheid in 1960 ongeveer 3,60. Voor
dezelfde prijs kan nu een geïnte
greerd circuit met enkele dozijnen
transistoren en andere elementen
worden gemaakt.
Be microscopische afmetingen
van de nieuwe circuits hebben op
twee manieren bijgedragen tot een
drastische snelheidsvergroting van
elektronische apparatuur, met name
computers.
Be primaire functie van een
transistor is het al of niet doorlaten
van een elektrische stroom als
antwoord op een binnenkomend sig
naal. De snelheid waarmee een
transistor op het signaal reageert
hangt vooral af van zijn afmetin
gen. Hoe kleiner de transistor, des
te sneller is de reactietijd. Be vroe
gere transistoren, aldus Hittinger
en Sparks, werden in omvang vaak
vergeleken met een erwt om dui
delijk te laten uitkomen hoe klein
ze wel waren. Maar in feite waren
het enorme dingen als men ze meet
naar de schaal waarop elektronische
gebeurtenissen zich voltrekken.
Daarom ook waren deze transisto
ren erg langzaam. Zij konden een
paar miljoen keer per seconde er
gens op reageren. Dit was snel ge
noeg voor circuits in radio-ontvan
gers en gehoor-apparaten, maar het
was veel te traag voor snelle com
puters of voor microgolf-telecom-
municatiesysternen op aarde en in
de ruimte.
Het tweede snelheidvergrotende
effect van de micro-elektronica is
te danken aan de kleinere afstan
den tussen de circuit-componenten.
De snelheid van een computer of
van elk ander elektronisch systeem
wordt in uiterste instantie begrensd
door de snelheid van het licht
(300.000 km per sec.). Een elektri
sche stroom in een draad kan zich
nooit sneller dan het licht verplaat
sen. In 1 nanoseconde (één miljard
ste seconde) wordt een afstand van
maximaal 30 centimeter afgelegd.
Dit betekent dat de interne afstan
den in een circuit, dat een paar
miljard keer per seconde moet wer
ken, niet groter mogen zijn dan en
kele millimeters. Dank zij de micro
circuits zijn deze ongelofelijke snel
heden nu mogelijk.
Voor de leek is het vaak nogal
raadselachtig wat transistoren, con
densatoren, dioden en weerstanden
in een elektronische schakeling nu
eigenlijk doen. Eenvoudig gezegd
komt het er op neer dat zij elk
een eigen rol spelen bij het contro
leren van een stroom elektronen, zo
danig dat het complete circuit een
of andere duidelijk omschreven
functie vervult. In een radio-ontvan
ger bestaat die functie uit het trans
formeren van een zwak elektromag
netisch signaal met een hoge fre
quentie in een vele malen versterkt
signaal met een lagere frequentie,
dat kan worden gebruikt om een
elektromechanisch apparaat als een
luidspreker te activeren. In een te
levisie-ontvanger zijn veel gecom
pliceerder circuits nodig om een
elektronisch beeld op te bouwen van
een zwak elektromagnetisch sig
naal, waarvan de frequentie veel
hoger is dan die van gewone radio
golven.
De elementen van een elektro
nisch circuit kunnen worden ver
deeld in passieve en actieve ele
menten. Passieve elementen zijn bij
voorbeeld weerstanden en conden
satoren, die de elektronenstroom
afremmen of verzamelen. Dioden
zijn ook passieve elementen. Zij la
ten van een wisselstroom slechts de
helft van elke cyclus door en doen
dienst als gelijkrichters. Vacuüm-
buizen en transistoren zijn echter
actieve elementen. Zij kunnen sig
nalen opwekken of versterken en op
treden als schakelaars voor elek
tronenstromen. Zonder deze actie
ve elementen zou er geen elektro
nica bestaan.
Vóór de uitvinding van de transis
tor in 1947 beschikte men alleen
over de luchtledige elektronenbuis
als generator, versterker en scha
kelaar. Kort na de tweede wereld
oorlog waren deze buizen zo ver
volmaakt dat het gewoon ondenk
baar leek dat de transistor ze zou
gaan verdringen. De eerste transis
toren waren maar weinig kleiner
dan de kleinste buizen. Zij waren bo
vendien veel duurder en het duurde
jaren voordat ze hadden bewezen
betrouwbaar te zijn en een lange
re levensduur te bezitten. Maar één
groot voordeel van de transistor
sprong al direct in het oog, name
lijk het veel lagere energiever
bruik. Bovendien was de transistor
veel simpeler van constructie dan
de vacuümbuis. Dank zij de transis
tor konden voortaan alle belangrij
ke circuit-functies in vaste stof wor
den gerealiseerd. Dit is de reden
waarom de transistor zo'n storm
achtige carrière van laboratorium
naar massaproductie heeft ge
maakt.
Men zegt wel eens dat er altijd
een uitvinding wordt gedaan als
men er werkelijk behoefte aan
heeft. Daar schuilt wel iets waars
in. De transistor bijvoorbeeld heeft
de makers van computers uit een
impasse gehaald. De eerste elektro
nische computer, de ENIAC, ver
scheen in 1945. Het was een enorm
apparaat, dat een hele zaal vulde,
In het binnenste van ENIAC zaten
19.000 vacuümbuizen, een veel gro
ter aantal dan ooit in één enkel
elektronisch apparaat was inge
bouwd. Deze 19.000 buizen waren
een voorbode van de naderende „ti
rannie van het aantal", die de fa
brikanten van complexe elektroni
sche apparatuur bedreigde. Niet al
leen het bouwen van een functione
rend systeem uit zoveel afzonder
lijke componenten was een lastig
probleem.
Erger was nog dat de bedrijfsze
kerheid tot een schrikwekkend laag
niveau daalde. Aangenomen dat el
ke buis in de ENIAC een levens
duur had van 10.000 uur dan bete
kende dit gemiddeld elk half uur
storing door het uitvallen van een
buis. Door regelmatig testen en ver
vangen van buizen wist men de sto
ringskansen wel wat te beperken,
maar de geringe bedrijfszekerheid
van de eerste buizencomputers bleef
een probleem.
De transistor heeft met zijn een
voud en lange levensduur de be
trouwbaarheid van computers en
andere elektronische systemen
enorm vergroot.
Maar de tirannie van het aantal
bleef ook in het transistortijdperk
heersen. Vooral de fabrikanten van
apparatuur voor militair gebruik,
zoals lange-afstandsradarinstalla-
ties en navigatiesystemen voor
atoomonderzeeboten, kwamen voor
bijna onoplosbare problemen te
staan. Maar ook de computers voor
wetenschappelijk en commercieel
gebruik en de elektronische scha
kelsystemen voor telefooncentrales
werden steeds gecompliceerder en
vereisten spoedig ettelijke honderd
duizenden afzonderlijke componen
ten.
In het begin van de jaren vijftig
slaagde men er in een achttal
transistoren, dioden en weerstanden
samen te pakken in kleine vier
kante blokjes met afmetingen van
ongeveer 2,5 centimeter. De ruim
tevaart, waarin elk pond gelanceerd
gewicht ongeveer 20.000 dollar
kostte, dwong de Amerikaanse elek-
tronica-fabrikanten nog verder te
gaan. De pakkings-dichtheid werd
zelfs vergroot tot 400 componenten
per kubieke inch. Maar hiermee
was het eigenlijke probleem nog
steeds niet opgelost. Want de een
heden moesten nog altijd uit afzon
derlijke componenten worden opge
bouwd.
In de research-laboratoria van
grote Amerikaanse concerns als
Bell Telephone, Texas Instruments,
RCA, Motorola en Fairchild begon
men na 1950 echter steeds duidelij
ker te zien in welke richting men
verder moest gaan.
De hedendaagse micro-elektroni
ca met haar geïntegreerde circuits
is de gemeenschappelijke top van
twee afzonderlijke ontwikkelingslij
nen. De eerste omvat de halfgelei
der-techniek. die wordt gebruikt
voor het maken van transistoren en
dioden en de tweede is de zoge
naamde dunne-filmtechniek voor
de vervaardiging van weerstanden
en condensatoren.
In de halfgeleider-techniek wordt
gebruik gemaakt van silicium-kris-
tallen. Silicium is een halfgeleiden-
de stof, waarvan de elektrische
eigenschappen ongeveer het mid
den houden tussen die van meta
len en niet-metalen. Deze elektri
sche eigenschappen kunnen zeei
nauwkeurig worden beïnvloed door
kleine verontreinigingen in het ma
teriaal té brengen.
Verontreinigingen van de elemen
ten gallium en borium veroorzaken
in het silicium denkbeeldige ga
ten", d.w.z. plaatsen waar zich
eigenlijk elektronen zouden moeten
bevinden. De ..gaten" functioneren
als positieve ladingen. Zij „zuigen"
elektronen naar zich toe en kunnen
op die manier een positieve elek
trische stroom opwekken. Een ge
bied van het silicium dat „gaten"
bevat wordt aangeduid als p-type.
Verontreinigingen van andere ele
menten, zoals arsenicum en fosfor,
creëren 'n het silicium gebieden
waarin zich juist een teveel aan
elektronen bevindt. Deze gebieden
staan gemakkelijk elektronen af,
waardoor een negatieve stroom ont
staat. Zij zijn van het n-type. De
essentie van de halfgeleiderstech
niek is nu dat in een stukje silicium
aan elkaar grenzende p- en n-type-
gebieden worden gevormd. Door
verschillende combinaties van p en
n kunnen verschillende functies
worden verkregen. Een simpele p-n-
structuur bijvoorbeeld, kan dienst
doen als diode. De grenslaag tus
sen de p en n-gebieden in het
ontreinigde silicium doet dan dienst
als gelijkrichter of als schakelaar.
Een transistor bestaat uit twee
grenslagen tussen drie gebieden van
de combinatie p-n-p of n-p-n. Een
van de buitenste gebieden doet
dienst als zender en het andere als
ontvanger van elektronen. Het mid
delste gebied functioneert als een
soort grenswacht, die op een signaal
de doorgang voor de elektronen kan
openen of versperren.
Door de zeer nauwkeurige dose
ring en plaatsing van verontreini
gingen is het in de loop van de ja
ren mogelijk geworden transistoren
te maken in zeer kleine stukjes si
licium. Hiervoor wordt gebruik ge
maakt van een diffusie-proces,
waarbij de p- en n-gebieden om
beurten worden afgeschermd door
een oxydelaagje en geëtst met be
hulp van maskers. Tegenwoordig is
het mogelijk uit een plaatje silicium
met een diameter van 2,5 cm en
een dikte van 0,15 mm ongeveef
1000 transistoren te maken.
In de dunne-filmtechniek, de twee
de ontwikkelingslijn van de micro-
elektronica, werkt men met uiterst
dunne laagjes van geleidende of iso-
Deze foto illustreert de elektronica-revolutie van de afgelopen 10 jaar. Volgens de conventionele methode
werden transistoren, weerstanden, dioden en condensatoren in circuits gemonteerd op panelen ter grootte van
een briefkaart (achtergrond links). Nu worden dezelfde circuits met de functies van 15 transistoren, 13 weer
standen en de bijbehorende bedradingen „geïntegreerd" in stukjes silicium van 1,3 x 1,3 mm, waarvan er hier
op elke vingertop één is afgebeeld. Een sterke vergroting toont de samenstelling van een circuit (achtergrond
rechts).
lerende materialen. Vaak zijn deze
laagjes niet meer dan een micron
(één duizendste millimeter) dik. Uit
deze dunne films kunnen zeer goe
de weerstanden en 'condensatoren
worden gemaakt. Een dunne film
weerstand bijvoorbeeld, bestaat uit
een onzichtbaar smal kanaaltje van
metaal, niet meer dan een paar
honderdste millimeter breed, in of
op een niet geleidende stof. De leng
te is afhankelijk van de gewenste
elektrische weerstand. Om een zeer
hoge weerstand te verkrijgen kan
het kanaaltje in een zig-zagpatroon
worden geleid. Om op deze manier
een condensator te maken kan
men een dunne film van een niet-
geleidend materiaal tussen twee
films van metaal leggen. De ge
wenste capaciteit kan nauwkeurig
worden verkregen door het opper
vlak en de dikte van de filmlagen
iets te vergroten of te verkleinen.
De dunne films worden gewoon
lijk verkregen door opdamping van
geleidend of niet-geleidend mate
riaal op een neutrale basisstof of
op een andere filmlaag. De bijzon
dere betekenis van de dunne-film
techniek voor de micro-elektronica
is, dat zij zich ideaal leent voor
het opdampen van hele circuits van
weerstanden en condensatoren in
één keer. Ook hierbij wordt gebruik
gemaakt van maskers, waarin de
lijnen van het circuit zijn uitgesne
den.
Voor het etsen van micro-circuits in silicium worden maskers gebruikt,
die met behulp van een uiterst nauwkeurig procédé op fotografische film
worden overgebracht.
In 1960 slaagden elektronica-inge
nieurs van de Texas Instruments
Corporation er voor het eerst in
door middel van diffusie alle cir
cuit-elementen in één enkel plaatje
silicium te maken. Deze elementen
werden onderling verbonden door
ragdunne draadjes. Korte tijd later
maakte Fairchild Semiconductor
soortgelijke circuits waarvan de ele
menten echter waren verbonden
door een opgedampt filmpatroon
van aluminium kanaaltjes. De half
geleider-techniek en de dunne-film
techniek hadden elkaar gevonden en
dit betekende het begin van een
snelle opmars van geïntegreerde
micro-circuits.
De geïntegreerde circuits werden
het eerst toegepast in de compacte
elektronische apparatuur voor de
Amerikaanse Minuteman interconti
nentale raketten, die tussen 1960 en
1963 in grote aantallen werden ge
bouwd. De computers in deze ge
leide projectielen moesten aan bij
zondere eisen voldoen. Ze moesten
zeer klein en snel zijn en hoge ver
snellingskrachten kunnen verdra
gen. De geïntegreerde circuits ble
ken hiervoor in alle opzichten ge
schikt te zijn. Proeven toonden bij
voorbeeld aan dat de circuits be
stand zijn tegen versnellingen van
20.000 G. ongeveer even veel als de
versnelling in een golfbal die met
kracht wordt weggeslagen.
Ook de ontwerpers van commer
ciële computers en andere niet-mi-
litaire elektronische apparatuur ont
dekten spoedig dat de geïntegreerde
circuits ongeëvenaarde betrouw
baarheid, prestaties en economie
beloofden. Inmiddels zijn de eerste
computers met dergelijke micro
circuits op de markt verschenen.
Er worden „monolitische bouwele
menten" toegepast die bestaan uit
silicium plaatjes met een opper
vlak van 1,3 x 1,3 mm, waarin door
opdamping en etsing de functies
van meer dan een dozijn transis
toren, dioden en weerstanden zijn
vastgelegd.
Het is wel zeker dat computers
voor wetenschappelijk zowel als ad
ministratief gebruik de komende ja-
(Foto Siemens)
ren in toenemende mate met ge-
integreerde micro-circuits zullen
worden uitgerust. Hetzelfde geldt
voor de grote schakqlsystemen van
automatische telefooncentrales. Het
waarom is duidelijk. John Diebold,
president en oprichter van het be
kende Amerikaanse bedrijfsadvies
bureau van dezelfde naam, heeft
eerder dit jaar voorspeld dat de mi
cro-circuits de kosten van compu
ters sterk zullen doen dalen. Een
specifiek computer-probleem, waar
van de oplossing in 1964 nog 1 dol
lar kostte, zal in 1968 ongeveer 35
dollarcent kosten en in 1973 niet
meer dan 15 dollarcent.
De snelheidsvergroting van com
puters met micro-circuits zal nog
spectaculairder zijn dan de kosten
verlaging. In 1964 had een compu
ter 800 nanoseconden (800 miljard
ste sec.) nodig voor een optelling,
de geheugen-accessen buiten be
schouwing gelaten. In 1970 zal een
computer voor een optelling nog
maar 50 nanoseconden nodig heb
ben, aldus het Diebold-rapport. De
geheugencyclustijd, d.w.z. de tijd
die nodig is voor het lezen en te
rugschrijven van informatie in het
geheugen, bedroeg in 1964 bij zeer
snelle computers 2 microseconden
(2 miljoenste sec.). In 1972 zal de
cyclustijd dank zij de micro-tech
niek nog maar 0,5 microseconde be
dragen. De kosten per eenheid van
het geheugen, die vorig jaar nog on
geveer 1 dollar bedroegen, zullen de
komende zeven jaar dalen tot
slechts 2 dollarcent per eenheid.
De belangrijkste voorspelling van
Diebold is dat dank zij de micro
circuits het aantal storingen in
computers drastisch zal teruglopen.
Kort geleden bedroeg de gemiddel
de tijd tussen twee storingen nog
300 uur. In 1967 zal dit 1300 uur
zijn en in 1973 waarschijnlijk 9.000
uur.
De micro-elektronica zal onge
twijfeld ook leiden tot steeds klei
nere afmetingen van elektronische
apparatuur. Deze miniaturisering U
niet op alle gebieden gemakkelijk
door te voeren. Bij administratieve
computersystemen bijvoorbeeld,
wordt de omvang van de installa-
tie niet in hoofdzaak bepaald door
de eigenlijke computer maar door
de elektro-mechaniscbe in- en uit-
voerapparatuur. Bij andere toepas
singen liggen echter wel grote mo
gelijkheden in het verschiet. De
kleine „hand-computers" die thans
in de Gemini-ruimtevaartuigen wor
den gebruikt zijn mogelijk de voor
lopers van de „huiskamer", en
„vestzak computers voor de men
sen van de toekomst.