Beim Lesen meines jüngsten @CHM-Blogs „Wer erfand die Diode?“ wies mich CHM Senior Curator Dag Spicer auf eine faszinierende wissenschaftliche Abhandlung hin: „Singletons and Multiples in Scientific Discovery: A Chapter in the Sociology of Science“ (Ein Kapitel in der Wissenschaftssoziologie) hin, in der beschrieben wird, dass mehrere unabhängige Entdeckungen wissenschaftlicher Phänomene eher die Norm als die Ausnahme sind. Der Autor, Robert K. Merton, führt dieses Verständnis auf den elisabethanischen Philosophen, Staatsmann und Wissenschaftler Sir Francis Bacon zurück.
Merton paraphrasiert auch Bacons Beobachtung, dass „sobald der richtige Weg eingeschlagen wird, sich aus dem wachsenden Wissensbestand Entdeckungen in unbegrenzter Zahl ergeben werden.“ Dieses Muster war in der Geschichte der Diode leicht zu erkennen. Und wie in diesem Blog beschrieben, wiederholte es sich bei der Entwicklung des nächsten großen Sprungs nach vorn bei Halbleiterbauelementen, dem Transistor.
Anfang des letzten Jahrhunderts wussten Wissenschaftler, wie man eine Diode mit zwei Anschlüssen herstellt, indem man eine scharfe Metallsonde in Kontakt mit einem Halbleiterkristall bringt. Diese Punktkontaktdioden konnten ein oszillierendes Signal in ein gleichmäßiges Signal umwandeln und fanden breite Anwendung als Detektoren in Kristallradioempfängern. In den 1920er Jahren begannen Erfinder, die Verwendung von Halbleitern zur Verstärkung und Umschaltung von Signalen zu untersuchen.
Frühe Halbleiterverstärker
Oleg V. Losev (1903 – 1942)
Einige der frühesten Arbeiten über Halbleiterverstärker kamen aus Osteuropa. In den Jahren 1922-23 fand der russische Ingenieur Oleg Losev vom Nizhegorod Radio Laboratory in Leningrad heraus, dass eine spezielle Funktionsweise in einer Zinkit-Kristalldiode mit Punktkontakt eine Signalverstärkung bis zu 5 MHz ermöglichte. Obwohl Losev jahrelang mit dem Material in Funkschaltungen experimentierte, kam er 1942 bei der Belagerung von Leningrad ums Leben und konnte sich nicht mehr für seinen Platz in der Geschichte einsetzen. Seine Arbeit ist weitgehend unbekannt.
Der österreichisch-ungarische Physiker Julius E. Lilienfeld siedelte in die USA über und meldete 1926 ein Patent für ein „Verfahren und Gerät zur Steuerung elektrischer Ströme“ an, in dem er eine Verstärkungsvorrichtung mit drei Elektroden unter Verwendung von Kupfersulfid-Halbleitermaterial beschrieb. Lilienfeld wird die Erfindung des Elektrolytkondensators zugeschrieben, aber es gibt keinen Beweis dafür, dass er einen funktionierenden Verstärker gebaut hat. Sein Patent hatte jedoch genügend Ähnlichkeit mit dem späteren Feldeffekttransistor, um künftige Patentanmeldungen für diese Struktur abzulehnen.
Julius E. Lilienfeld (1882 -1963), mit freundlicher Genehmigung des AIP Emilio Segre Visual Archives
Deutsche Wissenschaftler trugen ebenfalls zu dieser frühen Forschung bei. Während seiner Arbeit an der Universität Cambridge in England meldete der deutsche Elektroingenieur und Erfinder Oskar Heil 1934 ein Patent zur Steuerung des Stromflusses in einem Halbleiter durch kapazitive Kopplung an einer Elektrode an – im Wesentlichen ein Feldeffekttransistor. Und 1938 experimentierten Robert Pohl und Rudolf Hilsch an der Universität Göttingen mit Kaliumbromidkristallen mit drei Elektroden. Sie berichteten über die Verstärkung niederfrequenter Signale (etwa 1 Hz). Keine dieser Forschungen führte zu irgendwelchen Anwendungen, aber Heil ist heute in audiophilen Kreisen für seinen Luftbewegungstransformator bekannt, der in High-Fidelity-Lautsprechern verwendet wird.
Die ersten Transistoren
In den späten 30er Jahren wussten die Ingenieure von American Telephone and Telegraph, dass Vakuumröhrenschaltungen wegen ihrer geringen Zuverlässigkeit und ihres hohen Stromverbrauchs die schnell wachsende Nachfrage des Unternehmens nach einer höheren Telefonkapazität nicht befriedigen konnten. Der Forschungsdirektor der Bell Laboratories, Mervin J. Kelly, beauftragte William Shockley mit der Untersuchung der Möglichkeit, die Röhren durch Halbleitertechnologie zu ersetzen.
Auf der Grundlage verbesserter Halbleitermaterialien, die während des Krieges für Radardetektoren entwickelt worden waren, experimentierte Shockley Anfang 1945 mit einem Feldeffekt-Verstärker, der dem Konzept der von Heil und Lilienfeld patentierten Verstärker ähnelte, aber nicht wie gewünscht funktionierte. Der Physiker John Bardeen vermutete, dass Elektronen auf der Halbleiteroberfläche das Eindringen elektrischer Felder in das Material blockieren könnten. Unter der Leitung von Shockley begann Bardeen zusammen mit dem Physiker Walter Brattain, das Verhalten dieser „Oberflächenzustände“ zu erforschen.“
John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain im Jahr 1948, mit freundlicher Genehmigung der Bell Telephone Laboratories
Am 16. Dezember 1947 gipfelte ihre Forschung in einem erfolgreichen Halbleiterverstärker. Bardeen und Brattain brachten zwei eng beieinander liegende Goldkontakte, die durch einen Kunststoffkeil gehalten wurden, auf der Oberfläche einer kleinen Platte aus hochreinem Germanium an. Am 23. Dezember demonstrierten sie ihr Gerät vor Laborbeamten, und im Juni 1948 kündigten die Bell Labs das revolutionäre Festkörpergerät, das sie „Transistor“ nannten, öffentlich an.
Anfang desselben Jahres stellten der deutsche Physiker Herbert Mataré und sein Kollege Heinrich Welker in einem Westinghouse-Labor in Paris, Frankreich, unabhängig voneinander einen Verstärker auf der Basis von Germanium mit zwei Punktkontakten her, die die Oberfläche berührten. Als sie von der Ankündigung der Bell Labs erfuhren, meldeten Mataré und Welker ihr eigenes Gerät, das sie „Transistron“ nannten, zum Patent an.
Verbesserung des Transistors
Da Shockley erkannte, dass die Punktkontaktstruktur schwerwiegende Einschränkungen aufwies, und von beruflichem Neid getrieben wurde, da er sich ärgerte, nicht an der Entdeckung beteiligt gewesen zu sein, arbeitete er allein an der Entwicklung eines zuverlässigeren und reproduzierbaren Geräts. Der 1952 vorgestellte Bipolartransistor von Shockley, der aus einem massiven Stück Halbleitermaterial und ohne Punktkontakte hergestellt wurde, beherrschte die Branche in den nächsten 30 Jahren. Alle drei Bell Labs-Wissenschaftler erhielten für ihre Beiträge 1956 den Nobelpreis für Physik.
Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wurden viele verschiedene Herstellungsmethoden entwickelt, um schnellere, billigere und immer zuverlässigere Transistoren herzustellen. Ein wichtiger Fortschritt war 1954 der Siliziumtransistor, zuerst von Morris Tanenbaum in den Bell Labs und kurz darauf von einem Team unter der Leitung des Chemikers Willis Adcock bei der neu gegründeten Firma Texas Instruments. Ende der 1950er Jahre war Silizium zum bevorzugten Material der Industrie und TI zum dominierenden Halbleiterhersteller geworden.
Das Silizium-Transistor-Team von Texas Instruments von 1954: W. Adcock, M. Jones, E. Jackson und J. Thornhill, mit freundlicher Genehmigung von Texas Instruments, Inc.
Die Gründer von Fairchild Semiconductor, einem Start-up-Unternehmen im kalifornischen Silicon Valley, begannen ihr Unternehmen unter der Prämisse, einen noch besseren Siliziumtransistor herzustellen. Ihre täglichen Herausforderungen bei der Entwicklung einer neuen Technologie werden in mehreren Fairchild-Patentbüchern in der Museumssammlung detailliert beschrieben, vor allem in denen von Gordon Moore und Sheldon Roberts. Zeitgleich mit dem Beginn des „Weltraumwettlaufs“ war die Einführung des doppeldiffundierten Silizium-Mesa-Transistors 1958 ein großer kommerzieller Erfolg. Zuverlässigkeitsprobleme, die die Zukunft des Unternehmens bedrohten, wurden mit dem revolutionären Planarverfahren des Schweizer Physikers Jean Hoerni gelöst. Hoernis Planartechnik verwandelte nicht nur die Transistorherstellung von einem halb handwerklichen Verfahren in eine automatisierte Großserienproduktion. Sie ermöglichte auch die Entwicklung des modernen integrierten Schaltkreises (IC).
Der MOS-Transistor
Martin M. Atalla (1924 – 2009), mit freundlicher Genehmigung der Familie Atalla
Die Ideen von Lilienfeld und Heil sowie die gescheiterten frühen Experimente von Shockley trugen 1959 endlich Früchte, als der ägyptische Ingenieur Martin M. (John) Atalla an der Untersuchung von Halbleiteroberflächen in den Bell Labs arbeitete, baute der koreanische Elektroingenieur Dawon Kahng den ersten erfolgreichen Feldeffekttransistor (FET), der aus einem Sandwich von Schichten aus Metall (M – Gate), Oxid (O – Isolierung) und Silizium (S – Halbleiter) bestand. Der MOSFET, im Volksmund kurz MOS genannt, versprach einen wesentlich kleineren, billigeren und leistungsärmeren Transistor.
Dawon Kahng (1931 – 1992), mit freundlicher Genehmigung der NEC Corporation
Fairchild und RCA stellten 1964 kommerzielle MOS-Transistoren vor. Doch in dem Jahrzehnt, in dem die ersten Fertigungsprobleme mit dem MOS-Prozess gelöst wurden, wurden die einzelnen Transistoren in Computersystemen weitgehend durch ICs ersetzt. Langfristig erwiesen sich MOS-Transistoren als der praktischste Ansatz für den Bau von ICs mit hoher Packungsdichte, wie Mikroprozessoren und Speicher. Nahezu 100 % der Milliarden von Transistoren, die jeden Tag hergestellt werden, sind MOS-Bauelemente.
Wie bei den meisten technologischen Entwicklungen folgte die Entwicklung des modernen Transistors dem Bacon’schen Muster, allmählich aus dem „wachsenden Wissensbestand“ hervorzugehen, der von einer wahrhaft internationalen Gruppe von Ingenieuren und Wissenschaftlern aufgebaut wurde, und nicht aus den einsamen Bemühungen eines einzigen heldenhaften „Erfinders“.“
Zusätzlicher Inhalt
- Halbleitergleichrichter als „Cat’s Whisker“-Detektoren patentiert
- Feldeffekt-Halbleiterbauelement-Konzepte patentiert
- Erfindung des Punkt-Kontakt-Transistors
- Konzeption des Verzweigungstransistors
- Erste gewachseneJunction Transistors Fabricated
- Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
- Invention of the „Planar“ Manufacturing Process
- Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated