Der erste Transistor
Der MOSFET
Die Geburt von Silicon Valley
Die Integrierte Schaltung: Der Beginn des Informationszeitalters
Zum Mond und wieder zurück
Das erste elektronische Gadget

Halbleiter

Die Ansprüche an die noch junge Elektronik stiegen von Tag zu Tag. Nicht nur beim Bau von mobilen Telefonen. Ein Beispiel waren z.B. Computer, erste Rechenanlagen. Deren Grundfunktionen waren klar und Prototypen wurde bereits mit elektromechanischen Relais durch den deutschen Pionier Konrad Zuse gebaut. Man baute erste Rechner mit Röhren und stieß sofort an die Grenzen. Die Röhren waren empfindlich, nicht lange haltbar und verbrauchten viel Strom. Weiterhin mussten sie gekühlt werden und Röhren durften nicht unmittelbar nebeneinanderstehen, um nicht zu überhitzen. Somit wurde komplexe Elektronik groß und teuer. Ohne die Erfindung einer Alternative wäre die Elektronik sicherlich zum Stillstand gekommen. Diese Alternative war der Transistor.

Wie man Halbleiter leitend macht oder auch nicht

Die Grundlage des Transistors sind die sogenannten Halbleiter. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wusste man das bestimmte Kristalle die Eigenschaft hatten Strom nur in einer Richtung passieren zu lassen. Wie bereits beschrieben nutzte Ferdinand Braun Kristalle für Dioden, die zur Demodulation von Radioempfänger genutzt werden konnten. In den zwanziger Jahren gab es viele Forschungen über die Eigenschaften von Halbleitern, speziell von Germanium und Silizium. 

Einer der Forscher war Julius Lilienfeld. Er war in Österreich-Ungarn geboren studierte in Deutschland und floh in den dreißiger Jahren nach Amerika. Lilienfeld ging von kristallinem Silizium aus und beschrieb wie man basierend auf einen solchen Kristall ein elektronisches Element bauen kann, das den Eigenschaften einer Triode gleicht. Heute nennt man dies einen Feldeffekt Transistor (FET). Er meldete dieses Element sogar zum Patent an, ohne es jedoch jemals gebaut zu haben. Es war nicht möglich in jener Zeit einen solchen Transistor zu bauen.

An dieser Stelle sollte man vielleicht kurz erklären was die Halbleiter, vor allem Silizium und Germanium so interessant macht. Normalerweise sind sie nichtleitend. Dies liegt daran, dass alle Elektronen in dem Kristallgitter gebunden sind. „Verunreinigt“ man die Kristalle jedoch mit Fremdatomen so können freie Elektronen oder Elektronenlöcher im Kristall entstehen. Man spricht von Dotierung (lateinisch dotare: verabreichen) des Kristalls. Speziell von n-Dotierung und p-Dotierung. Der Kristall wird dadurch leitend.

Interessant wird es nun, wenn man eine n-Dotierung und eine p-Dotierung zusammenbringt. Dann entsteht an der Grenzfläche eine nichtleitende Schicht durch welche erst mal kein Strom fließen kann. Dies liegt daran, dass Elektronen der n-Schicht in Löcher der p-Schicht diffundieren. Dadurch entsteht eine Zone die auf der p-Seite negativ und auf der n-Seite positiv ist. Legt man eine Spannung an, so kann die nichtleitende Sperrschicht je nach Spannungsrichtung entweder vergrößert oder nach einer gewissen Schwelle ganz aufgehoben werden. Dadurch entsteht die Wirkung einer Diode. Strom kann nur in einer Richtung fließen.

Der erste Transistor, den man bauen wollte, war ein sogenannter Feldeffekt Transistor (FET). Dieser besteht aus einer leitenden n Schicht (es kann auch eine p Schicht sein). An dieser Schicht wird auf einer oder zwei Seiten eine p Schicht eingefügt. Diese erzeugt zunächst wie bei der Diode eine Sperrschicht, aber es bleibt eine Lücke in der Strom fließen kann. Legt man nun eine Spannung an die p Schichten kann man die Sperrschichten wie bei der Diode gesehen vergrößern und vermindert dadurch den Strom durch die n Schicht bis dieser ganz zum Erliegen kommt. Somit hat man zum zunächst einen Schalter mit dem Strom ein und ausgeschaltet werden kann, zum anderen aber auch einen Verstärker, mit dem der Strom durch die n Schicht geregelt werden kann. Man kann bei dieser Idee eines Transistors sehen, dass die Röhre/Triode Pate gestanden hatte. Das Gate entspricht dem Gatter der Röhre welches den Elektronenstrom steuert.

Das Problem beim Bau von Transistoren war, dass sie winzig klein sein mussten. Vor dem Krieg war es praktisch unmöglich eine FET oder irgendeinen anderen Transistor zu bauen. So blieb das Patent von Lilienfeld lange Zeit eine Vision.

Der erste Transistor

Die Funktionsweise des FET war durch das Lilienfeld Patent bekannt. Somit versuchten zwei Gruppen von Ingenieuren sich daran einen solchen Transistor zu bauen. Zwei Deutsche, Herbert F. Mataré und Heinrich Welker forschten in den vierziger Jahren bei Telefunken am FET mit nur mäßigem Erfolg.

In den Bell Laboratories in den USA arbeiteten William Shockley, Walter H. Brattain und John Bardeen an der Lösung dieses Problems. Auch sie kamen nicht voran. Es war technisch enorm anspruchsvoll an winzigen dotierten Metallflächen zu arbeiten. Beide Parteien wollte die Prozesse besser verstehen und forschten mit Spitzendioden, die man schon gut kannte. Man wollte Messungen in nächster Umgebung von einer Dioden Spitze machen. Mataré fand bereits 1943 heraus, dass zwei in unmittelbarer Umgebung arbeitende Spitzendioden nicht unabhängig voneinander arbeiteten. Die eine Diode beeinflusste die Leitungsfähigkeit der anderen Diode.

Gleiche Experimente machte man bei Bell Labs in den USA. Dort stellte man die „Doppelspitze“ mit einer Goldfolie her, die man über einen sehr spitzen Keil legte und an der Spitze durchtrennte. Dadurch erreichte man sehr kurze Abstände. Tatsächlich gelang dem Trio, Shockley, Brattain und Bardeen einen „Transistoreffekt“ zu erzeugen. Man konnte den Strom von Spitze zu Spitze über den Strom durch den Kristall steuern und verstärken. Somit hatte man den ersten realisierten Transistor. Dies war zwar kein FET den man eigentlich bauen wollte, sondern ein einfacher sogenannter Bipolartransistor, aber er funktionierte reproduzierbar. 1947 wurde ein Patent angemeldet und alle drei Forscher erhielten für diese Entwicklung 1956 den Nobelpreis. Mataré und Welker gelang der Bau des Spitzentransistor völlig unabhängig von Bell Labs nur ein paar Monate später.

In den folgenden Monaten und Jahren wurden die Bipolartransistoren immer weiter verbessert. Schnell lösten sogenannte Flächentransistoren die empfindlichen Spitzentransistoren ab, die auch günstiger herzustellen waren. 

Keine Erfindung des zwanzigsten Jahrhunderts hatte derart großen Einfluss auf die Geschichte, wie die Erfindung des Transistors. Dennoch wurde diese bei ihrer Veröffentlichung nur auf Seite 46 in einem kleinen Beitrag in der New York Times erwähnt.

Der MOSFET

Obwohl mit den Bipolartransistoren nun erste Bausteine zur Verfügung standen die man als Verstärker als Ersatz für Röhren einsetzen konnte forschte man weiter auf an der Entwicklung eines Field-effect Transistor, speziell an dem Metall Oxide Silicon Field-effect Transistor (MOSFET). Dieser schien der geeignetste Kandidat vor allem als einfacher Schalter zu sein.

Ein MOSFET besteht aus einem p-leitenden Substrat. Mit einem kleinen Abstand sind im p-Substrat zwei n-Dotierungen eingebracht. Durch die oben beschriebenen Vorgänge entsteht an den p-n Übergängen eine Isolierung, welche eine Stromfluss zwischen den n-dotierten Bereichen verhindert.

Im Bereich zwischen dem n-dotierten Material wird eine Metallfläche angebracht, welche zwischen von dem Substrat durch eine Oxid Schicht getrennt ist. Dadurch kann kein Strom fließen aber ein elektrisches Feld im Substrat erzeugt werden. Wird eine Spannung an der Metallfläche (dem Gate) angelegt, entsteht ein elektrisches Feld. Noch vorhandene freie Elektronen aus dem p-Substrat werden nun durch das Feld zwischen die n-dotierten Bereiche gezogen und heben dort die Isolation auf. Ein Strom kann fließen, zwischen der Source und dem Drain.

Somit hat man einen einfachen elektrischen Schalter oder auch einen Verstärker. Ein solcher Schalter ist von Natur aus sehr klein und kann theoretisch beliebig klein sein. Aber wie kann man einen MOSFET herstellen?

Die Geburt von Silicon Valley

Die Erfindung des Transistors hat laut Bell Labs drei Väter: William Shockley, Walter Brattain und John Bardeen. Bell Laboratories beharrte darauf, dass dies eine Teamarbeit war. Wie gesagt erhielten alle dafür den Nobelpreis. Aber die drei waren kein Team und das lag wohl besonders and William Shockley. Es gab Streit zwischen ihm und seinen Kollegen, nicht nur mit Brattain und Bardeen. Am Ende resultierte dies darin, dass Shockley die Bell Laboratories in Murray Hill verließ.

Er ging zunächst 1953 an die an die Caltech Universität nach Kalifornien. 1956 erkrankte seine Mutter, welche in Palo Alto lebte, einem Ort an der Bucht von San Francisco auch bekannt als „Bay Area“. Dort gab es außer der berühmten Stanford Universität lediglich eine große Airforce Base und einige Institute in der Stadt San Jose. In dem Städtchen Mountain View gründete er eine eigene Firma, das Shockley Semiconductor Laboratory.

Shockley hatte einen sehr guten Ruf, er galt als Vater des Transistors. So gelang es ihm die besten Ingenieure in seine Firma zu bringen. So gut Shockley als Wissenschaftler sein mochte, so schlecht war er als Manager. Er war dominant, autokratisch, schwer zufrieden zu stellen und zunehmend paranoid. Innerhalb eines Jahres hatte seine Mannschaft genug davon. Acht seiner besten Wissenschaftler verließen Shockley und gründeten 1957 eine eigene Firma namens Fairchild Semiconductors. Diese Mitarbeiter wurden später als die „verräterischen Acht“ bezeichnet. Fairchild Semiconductors war der Beginn einer neuen Industrie, der Halbleiterindustrie. Viele weitere Firmen entstanden aus oder neben Fairchild. Sie verwendete Silizium als Halbleitermaterial. Silizium wird auf Englisch Silicon genannt.

Später, 1971 schrieb ein Journalist namens Don Hoefler über die Industrie in Santa Clara Valley eine Serie in der Zeitschrift „Electronic News“. Er nannte die Serie „Silicon Valley, USA„.

Fairchild war in den frühen Jahren der Halbleiterindustrie die führende Firma. Gordon Moore (bekannt von Moores Law) und Robert Noyce (der Erfinder des Integrated Circuits) gründeten 1968 die Firma Intel (Integrated Elektronics), lange Zeit die größte Halbleiterfirma der Welt. Auch Intels Konkurrent AMD wurde ein Jahr später von Mitarbeitern von Fairchild gegründet.

Die Integrierte Schaltung: Der Beginn des Informationszeitalters

Fairchild fokussierte sich auf ein Herstellungsverfahren von Transistoren und Dioden. Was man z.B. für den Bau eines MOSFET brauchte war:

• Aufbringung von Isolation
• Gezielte Dotierung
• Aufbringung von Metallisierung

Ein erster wesentlicher Schritt kam von einem Bell Labs Mitarbeiter Mohamed Atalla. Er arbeitete mit Silicium Oxid, welches man mit einem chemischen Prozess auf ein Silicon Substrat aufbringen konnte und welches isolierend wirkt. Somit hatte man ein Mittel eine Isolation für das Metall-Gate zum Substrat herzustellen. Tatsächlich gelang Atalla zusammen mit Dawon Kahng einem koreanisch amerikanischen Wissenschaftler den ersten funktionierenden MOSFET herzustellen, 24 Jahre nachdem dieser von Lilienfeld patentiert wurde. 1959 war somit die Geburtsstunde des erfolgreichsten Transistors überhaupt.

24 Jahre nachdem Lilienthal den MOSFET patentiert hatte wurde 1959 das erste mal ein MOSFET hergestellt.

Neben der Nutzung einer Oxidschicht wurde von einem der Fairchild-Mitarbeiter Robert Norton Noyce auch Fotolithografie für die Herstellung von Halbleiterbauelementen herangezogen. Bei diesem Verfahren, wird lichtempfindlicher Fotolack aufgetragen. Dieser kann über eine Maske ähnlich wie bei einem Fotonegativ belichtet werden. Dort wo er belichtet ist, verhärtet er. Man kann dann den unbelichteten Teil auswaschen. Dadurch schafft man gezielt Lücken im Lack, durch die man unterliegende Strukturen wegätzen kann. Auf diese Weise kann man Strukturen aus Oxid-Schichten und Metall quasi aufbauen und auch Fenster schaffen durch die man gezielt dotieren kann. Wie man durch durch Fotolithografie ein MOSFET bauen kann findet man hier: Fotolithographie.

Aber man konnte nun nicht nur ein einzelnes Element auf einem Siliziumscheibe bauen, man kann mehrere Elemente bauen und sie auch untereinander verschalten. 1960 gelang es Noyce mit seinen Kollegen bei Fairchild die erste monolithische Integrierte Schaltung herzustellen. Der erste IC. Diese Technologie welche 1960 erstmals gelang sollte die Welt nachhaltig verändern. Der Grund ist, dass seit diesem Tag, als es erstmals gelang 5 Transistoren auf einer Siliziumfläche herzustellen und zu verschalten, jedes Jahr mehr Transistoren verbaut werden konnten und sich die Größe der Transistoren stets verkleinerte. Heute, mehr als 60 Jahre später können wir Milliarden von Transistoren miteinander auf einem Chip verschalten und unglaubliche Dinge damit tun, die man damals noch nicht erträumen konnte. 1960 begann somit die dritte industrielle Revolution und ein neues Zeitalter, dass wir als Informationszeitalter oder Digitalzeitalter bezeichnen. 

Zum Mond und wieder zurück

Als Anfang der fünfziger Jahre der Transistor zur Verfügung stand, war man in der Consumer Industrie zunächst zurückhaltend dort die etablierten Röhren durch Transistoren zu ersetzen. Großes Interesse gab es eher im militärischen Bereich. Man benötigte kleine robuste Elektronik um vor allen Raketen zu steuern. Das Militär war somit der erste Kunde der Integrierten Schaltungen die am Anfang noch sehr kostspielig in der Herstellung waren.

Es gab daneben noch einen anderen Bereich der sich für die neue Mikroelektronik interessierte. Erste 1957 erlebte die USA einen Schock als die Sowjetunion den Satelliten Sputnik in die Umlaufbahn schickten. Seitdem liefen sie in der Weltraumfahrt hinterher. So schufen sie das Mondflugprogramm Apollo um noch in den sechziger Jahren Menschen auf den Mond zu schicken und zurück. Für dieses ehrgeizige Ziel benötigte die neu gegründete NASA einen Computer der leistungsfähig genug war um das Raumschiff zu navigieren aber auch klein und stromsparend damit er an Board des Raumschiffs Platz hatte. Dies sicherte vor allem Fairchild lukrative Aufträge um die notwendigen Schaltungen zu miniaturisieren. Daneben konnten sie ihre Fertigunsprozesse verbessern und wurden günstiger auch für künftige zivile Anwendungen der ICs. 

Der Apollo Guidance Computer (AGC) war einer der ersten Computer die sich ausschließlich aus ICs aufbauten. „Im Jahr 1963 verbrauchte das MIT Instrumentation Lab 60 Prozent der Produktion integrierter Schaltkreise in den Vereinigten Staaten. Bis 1964 waren im Apollo-Programm mehr als 100.000 ICs im Einsatz. Ungefähr 2000 Mannjahre Ingenieursarbeit wurden in die Entwicklung der Apollo-Computerhardware investiert.“ (Quelle: IEEE Milestone).

Ohne die AGC wäre der Flug zum Mond nicht möglich gewesen. Wahrscheinlich war es mehr dieser Computer als die „Raketenwissenschaft“ von Werner von Braun, dass die USA den Wettlauf ins All gewannen, da die Sowjetunion zu dieser Zeit in der Elektronik noch nicht so weit fortgeschritten war.

Das erste elektronische Gadget

Der Marktführer bei der Produktion von frühen Transistoren war die Firma Texas Instruments. Sie beauftragte 1954 die Firma Industrial Development Engineering Associates ein kleines tragbares Radio zu bauen. Das Resultat war das Regency TR-1, ein AM-Empfänger (AM = Amplitudenmodulation) welcher mit nur 5 Transistoren gebaut war. Er hatte eine kleine 22,5 V Batterie, welche für fast 20 Stunden Empfang reichte. Die Sensation war die Größe 7.62 cm × 12.7 cm × 3.2 cm inklusive eines Lautsprechers. Man konnte es somit in die Hemdtasche stecken. Es erschien 1954 und war eine Sensation. Es war vielleicht das erste „must-have“ Gerät, das es gab. Heute würde man es als Live Style Produkt bezeichen. Man musste es haben einfach weil es cool war. Der Preis war seiner Zeit noch sehr hoch, 49$. Dafür war die Qualität schlecht. Es rauschte und war instabil. Aber es war cool und futuristisch.

Es gab ein Land, das für diese Art von Radio sehr affin war: Japan. Dort gab es eine kleine Firma namens Tokyo Tsushin Kogyo (Telecommunication Engineering Cooperation). Sie erhielt früh eine Lizenz für Transistoren von Bell Systems. 

Nachdem Texas Instrument aus der Produktion des Transistorradios ausstieg, sahen die Japaner 1955 die Chance ein von ihnen gebautes Radio auf den amerikanischen Markt zu bringen. Es war noch etwas kleiner als das Regency TR-1. Die Firma legte Wert auf einen guten Produktnamen speziell für den amerikanischen Markt und erfanden das Kunstwort Sony. So war das erfolgreichste Transistorradio in Amerika ein „Sony“. Das veranlasste die Firmengründer ihre Firma in SONY umzubenennen. Es war der Beginn der Dominanz von japanischen Herstellern auf dem amerikanischen Markt. Viele weiter japanische Unternehmen sollte folgen. Und es war der Start eines des erfolgreichsten Unternehmens der Media und Unterhaltungselektronik Branche.

Das Transistorradio nahm voraus, was 40 Jahre später mit dem Mobiltelefon passieren sollte. Es war cool, passte in jede Hosentasche und stellte eine Verbindung her.