Wichtigstes Elektronikbauteil 75 Jahre Transistor: Ein besonderes Weihnachtsgeschenk

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Die Erfindung des Transistors ist vergleichbar mit der des Rads: Er revolutionierte die Elektronik – und legte ganz nebenbei den Grundstein für die Kommerzialisierung der Digitaltechnik. Heute steckt er in jedem elektronischen Gerät – ob als Einzelbauteil oder milliardenfach hochintegriert als IC. Am 23. Dezember wird der Transistor 75 Jahre alt.

23. Dezember 1947. Einen Tag vor Heiligabend machten die späteren Nobelpreisträger John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain der Welt ein besonderes Weihnachtsgeschenk: Sie demonstrierten – zunächst firmenintern – den ersten funktionierenden Halbleitertransistor. Bis hierhin war es ein langer, steiniger Weg – auf dem auch deutsche und österreichische Physiker bereits früh unterwegs waren und wichtige Erkenntnisse lieferten. Erklärtes Ziel war das Entwickeln eines halbleiterbasierten Bauteils mit drei Anschlüssen, das die damals üblichen, empfindlichen Röhren als Verstärker für elektrische Signale ersetzen konnte: Ein kleines, am Eingang eingespeistes Signal sollte an den Ausgangsklemmen mit größerer Amplitude abgegriffen werden können.

Das zugrundeliegende Prinzip eines solchen Bauteils war der so genannte Feldeffekt: Mithilfe eines elektrischen Feldes lässt sich die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien modulieren. In der damals noch jungen Halbleiterforschung hatte man diese Wirkweise an einfachen Dioden nachgewiesen und bereits gut erkundet. Das erste Patent für transistorähnliche Bauelemente meldete der österreichisch-ungarische Physiker Julius Edgar Lilienfeld im Jahr 1925 an. Es blieb zunächst bei theoretischen Abhandlungen, da das nötige Halbleitermaterial noch nicht verfügbar war. Erst über zwei Jahrzehnte später, im Herbst 1947, gelang den Forschern der AT&T Bell Telephone Laboratories der Durchbruch.

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1934 ließ der Physiker Oskar Heil den Aufbau eines Feldeffekttransistors (FET) patentieren, konkret einen Halbleiter-FET mit isoliertem Gate. Einige der schlausten Köpfe der damaligen Zeit tüftelten an einer technischen Umsetzung. 1945 kulminierten die Anstrengungen von Herbert F. Mataré und Heinrich Welker – und zeitlich parallel dazu William Shockley und Walter H. Brattain – in ersten real aufgebauten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren JFETs (Junction-FETs) mit einem p-n-Übergang (positiv und negativ dotierte Halbleiter) und einem Gate als Steuerelektrode.

Kopf-an-Kopf-Rennen zwischen Forschern aus Deutschland und den USA

In den frühen 1940er Jahren, also mitten im zweiten Weltkrieg, lieferten sich die Forscher in Deutschland und den USA zudem – möglicherweise unbewusst – ein Kopf-an-Kopf-Rennen bei der Entwicklung eines aus zwei pn-Übergängen bestehenden Halbleiters, dem späteren Bipolar-Transistor. Mataré nannte seine Entwicklung Duodiode oder auch Doppelspitzendiode. Sie sollte in einem Detektor für Doppler-Funkmesssysteme zum Einsatz kommen – besser bekannt als Radar.

Das US-Team um Shockley arbeitete derweil an einem Spitzentransistor – wobei sich die Bezeichnung nicht auf die Performance bezog, sondern auf die Bauform mit nadelförmigen Kontaktierungen (daher auch Punktkontakttransistor, engl.: point contact transistor). Der Aufbau war nicht gerade eine feinmechanische Augenweide: An einem Träger aus Acryl war ein Germanium-Plättchen befestigt, auf das eine zur Feder verbogene Büroklammer ein kleines Plastikdreieck drückte, auf dessen Schmalseiten Goldfolien aufgebracht waren. So stellten die Forscher sicher, dass die Goldkontakte in definiertem Abstand aufgedrückt wurden und sich darunter im Halbleitermaterial eine leitfähige Zone ausbilden konnte – abhängig von der Spannung, die am Germanium-Plättchen angelegt wurde. Dieses war also die Basis, die Goldkontakte Emitter und Kollektor.

„Three-Electrode Circuit Element“ versus „Nouveau système cristallin à plusieurs électrodes“

Das funktionierende Bauteil konnten sie schließlich im Dezember 1947 in den Bell Laboratories vorstellen. Ihr „Three-Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials“ meldeten die Erfinder Bardeen, Brattain und Shockley am 27. Juni 1948 zum Patent an. Erteilt wurde es unter der Nummer US2524035 am 3. Oktober 1950.

Nur wenige Monate nach der US-Konkurrenz, am 13. August 1948, meldeten auch Mataré und Welker, die mittlerweile in Paris arbeiteten, ihre Version eines Bipolartransistors unter der Bezeichnung „Nouveau système cristallin à plusieurs électrodes réalisant des effects de relais électroniques“ unter der Nummer FR1010427 zum Patent an. Zehn Monate später, am 18. Mai 1949, folgte die Veröffentlichung der Entwicklung als „Transistron“. Das Kunstwort konnte sich allerdings nicht durchsetzen. Viel geläufiger wurde der phonetisch ähnliche Begriff „Transistor“, ein Kofferwort zusammengesetzt aus „Transfer“ (Durchleiten) und „Resistor“ (Widerstand), dass der US-amerikanische Ingenieur John Robinson Pierce 1948 geprägt hatte.

Übrigens nahm die Geschichte über die drei Inventoren kein gutes Ende: Sie zerstritten sich gründlich, weil Brattain und Bardeen die Erfindung der neuen Technik für sich beanspruchten. Shockley sah das als „Verrat“ an und arbeitete nicht länger mit ihnen zusammen. Tatsächlich trafen sich die drei danach nur noch einmal wieder: 1956 bei der Entgegennahme des Nobelpreises für Physik in Stockholm.

Shockley, Teal und Spark bauen ersten Flächentransistor

Der Bipolartransistor war nur der erste Schritt in der neuen Zeitrechnung der Elektronik. Shockley gründete eine eigene Firma. Mit zwei neuen Mitstreitern, Gordon Teal und Morgan Sparks, optimierte er das Bauteil immer weiter, außerdem arbeiteten sie an weiteren Entwicklungen. 1951 gelang ihnen schließlich die Herstellung eines nur aus einem Kristall bestehenden Flächentransistors. Dieser ließ sich viel besser kontaktieren, was den Aufbau des Bauteils vereinfachte.

Teal, seines Zeichens Chemiker, war es, der 1954 das temperaturempfindliche Germanium durch das viel funktionsstabilere Silizium ersetzte. Dies machte Transistoren viel robuster und zuverlässiger – und sorgte dafür, dass ihr Siegeszug nicht mehr aufzuhalten war. Endlich war die Konstruktion von Geräten wie Transistorradios möglich, die schnell reißenden Absatz fanden. Für Röhren blieben nach wenigen Jahren nur noch Nischenanwendungen übrig, etwa als leistungsstarke Endstufen in Antennen oder Audioverstärkern.

Jack Kilby integriert erstmals Transistoren, Dioden und Widerstände

Nun ging es Schlag auf Schlag: 1958 gelang es Jack Kilby, der gerade bei Texas Instruments als Elektroingenieur angeheuert hatte, mehrere Transistoren, Dioden, Widerstände in einem 1,6 × 11,1 mm kleinen Stück Germanium zu vereinen – und so den ersten integrierten Schaltkreis der Welt zu bauen. Eine Meisterleistung, die das Fundament legte für die heutige Hochintegration von Halbleitern auf einem Chip. Nicht umsonst wird Kilby als „Vater des Mikrochips“ bezeichnet.

Nahezu parallel dazu schaffte es auch Robert Noyce, einen IC aufzubauen. Noyce hatte 1956 eine Anstellung bei Beckman Instruments angenommen, wo er im Shockley Semiconductor Laboratory direkt unter dem Transistorerfinder William Shockley arbeitete. Wegen Meinungsverschiedenheiten verließ Noyce jedoch bereits 1957 das Shockley-Labor wieder – zusammen mit sieben anderen Forschern: Victor Grinich, Gordon Moore, Eugene Kleiner, Julius Blank, Sheldon Roberts, Jean Hoerni und Jay Last.

Die „verräterischen Acht“: Keimzelle eines späteren IC-Imperiums

Bekannt wurden sie als „Traitorous Eight“: Die „verräterischen Acht“ gründeten die Keimzelle eines späteren IC-Imperiums: Fairchild Semiconductor. Hier gelang es Noyce 1959, den ersten monolithisch gefertigten integrierten Schaltkreis in Planartechnik auf Siliziumsubstrat herzustellen. Im Juli 1968 gründete Robert Noyce zusammen mit Gordon Moore die Firma Intel. Als ersten Mitarbeiter stellten sie Andy Grove ein. Der Rest ist Geschichte.

Aus heutiger Sicht kaum zu glauben: Dem Transistor wurde zunächst keine große Zukunft zugestanden. Hauptgrund: Gegenüber Elektronenröhren hatten frühe Bipolartransistoren vergleichsweise geringe Transitfrequenzen und damit einen eingeschränkten Übertragungsbereich, so dass sie für einige Anwendungen zunächst ungeeignet waren. Das änderte sich jedoch mit fortschreitender Optimierung der Bauteile, und Vorteile wie geringer Energiebedarf und geringe Baugröße ließen das Pendel zügig zugunsten der Halbleitertechnik ausschlagen. Ab den 1960er Jahren lösten Transistoren die Röhren fast überall als Signalverstärker ab. (me)

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