Warum der Transistor zweimal erfunden wurde

| Redakteur: Kristin Rinortner

Nachbau des ersten Transistors (SNF)
Nachbau des ersten Transistors (SNF) (Bild: )

Der Transistor gilt als „die Erfindung des 20. Jahrhunderts“. Und er wurde zweimal unabhängig voneinander entwickelt: von Forschern in den USA mit dem „Transistor“ und in Frankreich mit dem „Transistron“. Letztere Entwicklung kennen heute wenige, obwohl das Bauelement bessere Werte bei Rauschen, Stabilität und Lebensdauer aufwies.

Im Dezember 1947 nahmen die amerikanischen Physiker John Bardeen und Walter Brattain den Germanium-Spitzentransistor an den Bell Telephone Labs in Betrieb, hielten die Entwicklung aber noch sechs Monate lang geheim.

Zur gleichen Zeit bauten die beiden deutschen Ingenieure Herbert Mataré und Heinrich Welker (der spätere Siemens-Forschungschef) im Auftrag des französischen Postministeriums einen funktionierenden, fast identischen Germanium-Halbleiterverstärker, der unter dem Namen „Transistron“ oder „Französischer Transistor“ in die Geschichte einging. Obwohl das Transistron bessere Rauschwerte und eine höhere Lebensdauer sowie Stabilität als das amerikanische Pendent aufwies, gelang es der französischen Regierung in der nachfolgenden Zeit nicht, das europäische Transistron kommerziell zu verwerten.

Wesentliche theoretische Vorarbeiten zum Transistor erfolgten in Österreich und Deutschland bereits in den 1920er und 1930er Jahren. In dieser Zeit versuchten Forscher eine Alternative zur Elektronenröhre (Triode) zu finden.

Den Halbleiter Pyrit verwendete man in europäischen Radio-Empfängern damals schon als preiswerten Gleichrichter. Die Physiker in Europa untersuchten in den 1930er-Jahren darüber hinaus die chemischen Elemente Germanium und Silizium auf ihre Eignung. Auch in den US-amerikanischen Bell-Laboratorien begann eine Gruppe von Wissenschaftlern 1936 diese Werkstoffe zu analysieren. Der Leiter war der Brite William Shockley. Im Jahr 1945 kamen John Bardeen als theoretischer Physiker und der Experimentalphysiker Walter Brattain in die Gruppe.

Ein erstes Patent zu einem Transistor, der dem heutigen Feldeffekttransistor gleicht, meldete der Physiker Julius Edgar Lilienfeld im Jahr 1928 in Deutschland an. Damals war die Werkstoffforschung allerdings noch nicht so weit vorangeschritten, dass man diesen Transistor bauen konnte.

Die theoretischen Grundlagen erdachte der damals bei Siemens angestellte Ingenieur Walter Schottky. Oskar Heil (der Erfinder des Klystrons) meldete 1934 ein Patent an, in dem er kapazitiv wirkende Steuerelektroden an Halbleitern vorschlug, heute als Feldeffekt-Transistor bekannt. Durch den zweiten Weltkrieg wurde die Transistorforschung in Europa und Amerika unterbrochen.

Die Geburt des Transistors

In den USA suchte die Telefongesellschaft Bell nach der Kriegspause weiter nach elektronischen Schaltern, die die elektromechanischen Schalter in den Telefonzentralen ablösen konnten. Auf der Grundlage der existierenden Transistor-Patentschriften experimentierten Bardeen und Brattain in den Bell Labs wieder mit den pn-Übergängen, bis ihnen kurz vor Weihnachten 1947 zufällig der Durchbruch mit einer pnp-Folge gelang. Sie fanden heraus, dass bei einer Widerstandsänderung in einer Grenzschicht auch der Widerstand in der anderen Grenzschicht beeinflusst wurde.

Bei ihrem Experiment brachten sie zwei Stromleiter (zu zwei Stromkreisen gehörend) aus Goldfolie an den Seiten einer V-förmigen Platte an. An der Spitze war die Folie durchtrennt. So konnten sie die Spitzen der beiden Leiter im Abstand von etwa 50 µm in einen n-dotierten Germanium-Kristall pressen. Auf der Rückseite des Kristalls brachten sie einen dritten (Steuer-)Kontakt an, die sogenannte Basis.

Das Prinzip ist einfach: Im Halbleiter werden von der einen Spitze, dem Emitter, positive Ladungsträger (Minoritätsladungsträger, Löcher) in den Germanium-Kristall mit der negativen Dotierung injiziert und zur zweiten Spitze, dem Kollektor, transportiert. Die Basis schließt den Stromkreis. Der elektrische Strom, der zwischen Emitter und Kollektor fließt, ließ sich durch eine Änderung des elektrischen Potenzials am Emitter modulieren. Die Stromverstärkung lag bei rund 40 und die Spannungsverstärkung bei etwa 100.

Bardeen und Brattain veröffentlichten ihr Resultat am 25. Juni 1948 in der Zeitschrift Physical Review.

Firmenintern hatte man sich auf den von John R. Pierce vorgeschlagenen Namen des neuen Verstärkers geeinigt: Transistor. Am 30. Juni 1948 stellten die Bell Labs den Transistor in New York der Presse vor. Shockley entwickelte danach einen zweiten Transistor-Typ, den Flächentransistor, der auf zwei pn-Übergängen basierte. Ein pn-Übergang diente als Emitter, der andere in umgekehrter Polung als Kollektor. Der Flächentransistor wurde in den 1950er-Jahren zur Standardversion und verdrängte die Elektronenröhre.

Ab den 1960er-Jahren setzte sich der Feldeffekttransistor durch, dessen hochohmiger Eingangswiderstand im Tera-Ohm-Bereich ähnliche Eigenschaften wie die Elektronenröhre aufwies. Der Ausgangswiderstand von fast 0 Ohm im leitenden Zustand war für Audioanwendungen ideal geeignet.

Vom Transistor zum Transistorradio

Der in Aachen geborene Mataré gründete 1952 in Düsseldorf die Firma Intermetall, die Halbleiterdioden und -transistoren vertrieb. Auf Mataré geht nach einigen Quellen auch das erste Transistorradio zurück, das er Ende 1953 auf der Düsseldorfer Funkausstellung präsentierte. Später verkaufte der deutsche Ingenieur sein Unternehmen und ging in die USA, wo er u.a. als Berater für verschiedenen US-Forschungseinrichtungen und Firmen agierte.

In den USA wurde von Regency (der Produktabteilung des Bauelemente-Herstellers IDEA [Industrial Development Engineering Associates] mit Radio-Knowhow) mit starker finanzieller Unterstützung von Texas Instruments, einem damals aufstrebenden Halbleiterunternehmen, im Dezember 1955 das Transistorradio Regency TR-1 auf den Markt gebracht.

Das Regency TR-1 war das zur damaligen Zeit kleinste und preisgünstigste Radio. „Ohne diese Technologie wären tragbare Media Player niemals entstanden, und ohne sie gäbe es heute keine iPhones“ kommentierte Steve Wozniak, Mitbegründer von Apple, einmal diese wichtige Entwicklung.

Das japanische Unternehmen Tokyo Tsushin Kogyo (Totsuko) erkannte schnell das Potenzial des Transistorradios und kam 1956 mit einem konkurrenzfähigen Gerät auf den Markt. Das Nachfolgeprodukt von 1957 unter dem zu Sony geänderten Firmennamen, damit die Amerikaner es aussprechen konnten, wurde als „das kleinste Transistorradio der Welt im Hemdtaschenformat“ vermarktet.

Die ersten elektronischen Geräte enthielten einzelne Transistoren. Bald entdeckten die Elektronik-Ingenieure, wie man mehrere Transistoren integriert, was 1958 zum ersten Integrierten Schaltkreis (Jack Kilby, Texas Instruments) führte.

Mittlerweile hat der Transistor viele Evolutionsstufen durchlaufen, bei denen die Anzahl der Transistoren pro Chip jedes Jahr exponentiell anstieg. So enthielt 1971 der Intel i4004 17000 Transistoren/cm2, also einige 1000; 2009 der Intel Yorkfield 390 Mio.Transistoren/cm2 und der AMD Phenom II 290 Mio. Transistoren/cm2, also bereits einige 100 Mio. Transistoren. Ein Ende ist heute allerdings abzusehen.

Interessant ist, dass in der Anfangszeit des Transistors die Anwendungen ausblieben. Erst zwei von den Bell Labs veranstaltete Symposien zur Transistortechnik mit internationaler Beteiligung in den Jahren 1951 und 1952 leiteten die Wende und den Siegeszug des Bauelements ein.

Bardeen und Brattain erhielten 1956 gemeinsam mit Shockley den Nobelpreis für Physik „für ihre Untersuchungen über Halbleiter und ihre Entdeckung des Transistoreffekts“. Lilienfeld, Heil, Mataré und Welker gerieten in Vergessenheit und wurden bei der Auszeichnung nicht erwähnt.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45126899 / Meilensteine der Elektronik)