Uma breve história do transistor MOS, Parte 3: Frank Wanlass

Não é de surpreender que as empresas de semicondutores relutassem em investir muita energia no desenvolvimento de MOSFET no início dos anos 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 forma imprevisível com o tempo e a temperatura. Muito trabalho de pesquisa e desenvolvimento seria necessário para transformar os MOSFETs em componentes eletrônicos confiáveis. No entanto, quando a Fairchild Semiconductor contratou Frank Wanlass, o MOSFET encontrou seu campeão. Wanlass estava comprometido com o MOSFET, não com qualquer empresa. Ele ia a qualquer lugar e fazia tudo o que podia para promover o desenvolvimento do MOSFET. Ele se tornou o Johnny Appleseed da tecnologia MOS (metal-óxido-semicondutor), plantando sementes MOSFET livremente, quando e onde.

Fairchild contratou Wanlass em agosto de 1962, depois que ele recebeu seu PhD 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 filme fino enquanto estudava para seu doutorado em física de 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 de semicondutores e concebeu a construção de circuitos integrados (ICs) complexos usando esses dispositivos. Mas os CdS FETs de filme fino da RCA eram muito instáveis. Mesmo quando deixados em uma prateleira por algumas horas, suas características elétricas variavam drasticamente. Wanlass pensou que fazer FETs com silício em vez de CdS resolveria o problema do desvio paramétrico. Ele estava errado, como se vê. Os FETs de semicondutores sofreram com o desvio 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 ingressou no grupo de Pesquisa e Desenvolvimento de Gordon Moore na Fairchild, a empresa tinha a política de permitir que novos contratados com doutorado trabalhassem em qualquer projeto que desejassem 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 vitalmente interessado no processamento MOS, porque essa era a estrutura básica e a natureza do processo de fabricação planar de Jean Hoerni, que Fairchild usava 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 ICs com MOSFETs e projetar circuitos de nível de sistema usando esses dispositivos para alimentar a demanda pelos componentes. No ano seguinte, ele fez exatamente isso. Em menos de seis meses, Wanlass projetou e fabricou MOSFETs individuais de canal p e n em silício usando o processo planar. Todos os dispositivos de canal p exibiram desvio paramétrico severo, enquanto nenhum dos dispositivos de 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 IC flip-flop usando MOSFETs e alcançou um incrível rendimento de wafer de mais de 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 canal p e n em uma matriz de silício. CMOS é a tecnologia de transistor fundamental para quase todos os ICs fabricados atualmente. (Observação: Sah costuma ser 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 de semicondutor de óxido de metal para que Fairchild pudesse fazer melhores transistores bipolares e ICs. A equipe de análise se tornou Bruce Deal, Andrew Grove e Ed Snow. Eles não foram colocados em uma equipe formal, mas logo descobriram um ao outro e suas atribuições complementares por meio de interações casuais no escritório. Deal trabalhou em oxidação e estados de superfície. Snow analisou as instabilidades transitórias do MOS. Grove escreveu programas para modelar as análises.