Uma Breve História do Transistor MOS, Parte 3: Frank Wanlass

Não surpreende que as empresas de semicondutores estivessem relutantes em investir muita energia no desenvolvimento do MOSFET no início da década de 1960. Os primeiros MOSFETs eram 100 vezes mais lentos que os transistores bipolares e eram considerados instáveis, por um bom motivo: suas características elétricas variavam de maneira grave e imprevisível com o tempo e a temperatura. Seria necessário muito trabalho de pesquisa e desenvolvimento para transformar os MOSFETs em componentes eletrônicos confiáveis. No entanto, quando a Fairchild Semiconductor contratou Frank Wanlass, o MOSFET encontrou o seu campeão. Wanlass estava comprometido com o MOSFET, não com qualquer empresa. Ele foi a qualquer lugar e fez tudo o que pôde para promover o desenvolvimento do MOSFET. Ele se tornou o Johnny Appleseed da tecnologia MOS (semicondutor de óxido metálico), plantando livremente sementes MOSFET, quando e onde quiser.

Fairchild contratou Wanlass em agosto de 1962, depois de receber seu doutorado em física pela Universidade de Utah. Ele se interessou pela tecnologia MOS quando leu sobre o trabalho da RCA com FETs de sulfeto de cádmio (CdS) de película fina enquanto estudava para seu doutorado em física do estado sólido. A simplicidade da estrutura do dispositivo FET primeiro o intrigou e depois o obcecou. Ele percebeu que a estrutura simples do FET significava que muitos FETs caberiam em uma matriz semicondutora e concebeu a construção de circuitos integrados (ICs) complexos usando esses dispositivos. Mas os FETs CdS de filme fino da RCA eram muito instáveis. Mesmo quando deixados em uma prateleira por algumas horas, suas características elétricas variavam dramaticamente. Wanlass pensou que fazer FETs com silício em vez de CdS resolveria o problema da deriva paramétrica. Ele estava errado, ao que parece. Os FETs semicondutores sofreram desvios por vários anos até que o processo de fabricação do MOS pudesse ser suficientemente limpo para eliminar os contaminantes que causavam o desvio paramétrico do FET.

Quando Wanlass se juntou ao grupo de Pesquisa e Desenvolvimento de Gordon Moore na Fairchild, a empresa tinha uma política de permitir que novos contratados com doutorado trabalhassem em qualquer projeto que quisessem realizar. Wanlass decidiu se concentrar em MOSFETs, embora o departamento de Moore não estivesse especialmente interessado em fabricar os dispositivos. No entanto, o departamento de Moore estava extremamente interessado no processamento MOS, porque essa era a estrutura básica e a natureza do processo de fabricação planar de Jean Hoerni, que Fairchild usou para fabricar transistores bipolares e CIs. Qualquer maior compreensão do processo planar e quaisquer melhorias feitas na tecnologia do processo aumentariam a capacidade da Fairchild de fabricar transistores bipolares e circuitos integrados.

Wanlass não estava interessado em estudar ou analisar as características do processo MOS. Ele queria fabricar MOSFETs discretos, construir CIs com MOSFETs e projetar circuitos em nível de sistema usando esses dispositivos para estimular a demanda pelos componentes. No ano seguinte, ele fez exatamente isso. Em menos de seis meses, a Wanlass projetou e fabricou MOSFETs individuais de canais p e n em silício usando o processo planar. Todos os dispositivos do canal p exibiram desvio paramétrico severo, enquanto nenhum dos dispositivos do canal n funcionou. Ele testou o desvio paramétrico de dispositivos de canal p colocando-os em um traçador de curva e aquecendo-os com um isqueiro. Ele então projetou e fabricou um CI flip-flop usando MOSFETs e alcançou um rendimento incrível de wafer superior a 80%. Ele desenvolveu circuitos de aplicação para MOSFETs, incluindo um medidor de corrente que explorava a impedância de entrada extremamente alta do MOSFET.

Ao longo do caminho, Wanlass e seu gerente CT Sah patentearam a ideia de circuitos CMOS, que combinam MOSFETs de canais p e n em uma matriz de silício. CMOS é a tecnologia de transistor fundamental para quase todos os IC fabricados atualmente. (Nota: Sah é frequentemente listado como o único inventor do CMOS, mas seu nome está na patente porque ele era o gerente de Wanlass, e era costume listar o gerente junto com o inventor no pedido de patente.)

No início de 1963, Gordon Moore começou a contratar mais pessoas para analisar mais detalhadamente a tecnologia de processo MOS. No entanto, ele não estava interessado em estudar MOSFETs. Ele simplesmente queria entender melhor o processo planar do semicondutor de óxido metálico para que Fairchild pudesse fabricar transistores bipolares e CIs melhores. A equipe de análise foi formada por Bruce Deal, Andrew Grove e Ed Snow. Eles não foram colocados em uma equipe formal, mas logo descobriram uns aos outros e suas atribuições complementares por meio de interações casuais no escritório. Deal trabalhou na oxidação e nos estados de superfície. Snow analisou instabilidades transitórias do MOS. Grove escreveu programas para modelar as análises.