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Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik Der Transistor von Shockley, Bardeen und Brattain

Ob PC, Herzschrittmacher oder Handy - viele heute unentbehrliche Geräte kamen nur auf den Markt, weil 1947 ein revolutionäres Bauelement der Mikroelektronik erfunden wurde: der Transistor.

Von: Ein Film von Thomas Ammann

Stand: 18.05.2012

William B. Shockley, John Bardeen, Walter H. Brattain | Bild: BR

Grundlage für Transistoren und die aus ihnen zusammengesetzten Mikrochips von heute sind die besonderen Eigenschaften von Halbleitern. Dabei handelt es sich um Elemente und Verbindungen, die in ihren Eigenschaften zwischen Metallen und Nichtmetallen stehen. Schon 1874 hatte der Physiker Karl Ferdinand Braun den Gleichrichtereffekt am Übergang einer feinen Metallspitze zu einem Nichtmetallkristall entdeckt. Als Kristalldetektor wurde diese Materialkombination in den 1920er Jahren zur Gleichrichtung bzw. Demodulation von Hochfrequenzschwingungen in einfachen Rundfunkempfängern verwendet. Für anspruchsvollere Geräte setzte sich die Elektronenröhre durch, die Signale nicht nur demodulieren, sondern auch bis zum Millionenfachen verstärken konnte. Mit diesem Bauelement ließen sich nicht nur Empfänger, sondern auch leistungsstarke Rundfunksender bauen.

Empfang von Radarstrahlen dank halbleitender Materialien

Als die Radartechnik im Zweiten Weltkrieg zum Aufspüren feindlicher Flugzeuge und U-Boote Gleichrichter für Frequenzen im Gigahertz-Bereich benötigte, besann man sich auf den Kristallgleichrichter, der fortan als zuverlässiges Bauteil gefertigt wurde.

Obwohl mit der Elektronenröhre ein ausgereifter Baustein zur Verfügung stand, der noch 25 Jahre die Nachrichtentechnik beherrschen sollte, bemühten sich Mitte der 1940er Jahre Forscher in den Bell-Laboratories in Murray Hill (New Jersey), aus dem Halbleitermaterial nicht nur Gleichrichter, sondern ein verstärkendes Bauelement zu konstruieren. John Bardeen, Mitglied einer Arbeitsgruppe unter Leitung des Physikers William Bradford Shockley, hielt hochreines Germanium für geeignet, das durch gezielten Zusatz von Indium-Atomen leitfähig gemacht worden war. In diesem Material erfolgt der Ladungstransport durch positive Raumladungen, so genannte Löcher, so dass man es P-Leiter bzw. P-Germanium nennt.

Das Prinzip des Transistors

Bardeens Kollege Walter Brattain entwarf ein Experiment: Er lötete ein Plättchen aus P-Germanium auf eine Metallunterlage und setzte eine feine Metallspitze, den Emitter, auf das Material. So wurde aus dem Germaniumkristall ein Halbleitergleichrichter. Wenn man eine Spannung in Flussrichtung an diese Halbleiterdiode anlegte, floss ein Strom. Die Forscher setzten nun im Abstand von weniger als 0,1 mm eine zweite Metallspitze, den Kollektor, auf den Kristall. Auch hier wurde eine Spannung angelegt, aber in Sperrrichtung, so dass nahezu kein Strom fließen konnte. Zur Überraschung der beiden konnten sie aber feststellen, dass ein Teil des Emitterstroms nun nicht mehr in den Kristall und zur Emitterbatterie floss, sondern zum Kollektor und über dessen Batterie zum gemeinsamen Basiskontakt. Der Kollektorstrom folgte in seiner Größe exakt dem Emitterstrom. Mit der kleinen Emitterspannung konnte man dabei eine weitaus größere Kollektorspannung steuern, der Transistor konnte also Signale "verstärken".

Ein Jahr später ersetzten die Forscher auf Anregung ihres Chefs Shockley die wenig stabilen Spitzenkontakte durch einlegierte Metallkontakte – der technisch brauchbare Flächentransistor war geboren. Für ihre Forschung erhielten Shockley, Brattain und Bardeen 1956 den Physik-Nobelpreis.

Der Siegeszug des Transistors

In den folgenden Jahrzehnten wurde die Transistortechnologie ständig verbessert. Statt des temperaturempfindlichen Germaniums verwendete man Silizium. Die Dotierung konnte durch das gezielte Eindringen von Gasatomen, also durch Diffusion, genau gesteuert werden. Auf diese Weise ließen sich Transistoren durch mehrfaches Dotieren bzw. Umdotieren auf nur einer Seite eines Siliziumplättchens herstellen. Mit der Planartechnik genannten Methode konnten tausende von Transistoren gleichzeitig auf einem Siliziumplättchen (Wafer) produziert werden. Es wurde anschließend in einzelne Bauelemente zersägt, die in Gehäuse eingebaut und mit Anschlüssen versehen wurden. Die Transistoren wurden mit dieser Technologie kleiner, leistungsfähiger und weitaus billiger, so dass davon auch die Hersteller der Computerindustrie mit ihrem riesigen Bedarf an Halbleitern profitierten. Auch für Unterhaltung und Information unterwegs war nun gesorgt - die ersten Transistor-Taschenradios kamen auf den Markt.

Der nächste Schritt war, auf dem Wafer auch andere Bauelemente, wie Dioden, Widerstände und kleine Kondensatoren durch Diffusion zu erzeugen, die dann mit den Transistoren durch aufgedampfte Leitungen verbunden wurden. So wurden die ersten monolithisch integrierten Schaltungen produziert. Ihr Vorteil: Viele komplexe Bauteile können in wenigen automatisierten Fertigungsschritten hergestellt und verbunden werden, das benötigte Volumen ist um den Faktor 100 bis 1.000 geringer als bei Einzelbauelementen, die Zuverlässigkeit weitaus höher und die Leistungsaufnahme geringer.

In Großserienfertigung sind solche Schaltungen auch weitaus billiger als traditionell verlötete Baugruppen. Für die Fertigung benötigte man Räume mit hochreiner Luft, in denen Menschen nur in Schutzkleidung arbeiten dürfen, denn ein einziges Staubkorn auf einem Schaltkreis kann ihn unbrauchbar machen. Heute können solche Schaltungen mit bis zu über 100 Millionen Transistoren nur noch mit Computerhilfe entworfen und getestet werden.


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