Geschichte des Transistors (History of the transistor)

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit mindestens drei Anschlüssen zur Integration in einen Stromkreis. Typischerweise reguliert der dritte Anschluss den Stromfluss zwischen den beiden anderen. Diese Funktionalität ermöglicht Anwendungen wie die Signalverstärkung, beispielsweise bei Funkempfängern, oder das Hochgeschwindigkeitsschalten, wie es in digitalen Schaltkreisen der Fall ist. Der Transistor ersetzte die Vakuumröhrentriode, auch als thermionische Röhre bekannt, die erheblich größer war und wesentlich mehr Betriebsleistung verbrauchte. Die erste Transistordemonstration fand am 23. Dezember 1947 in den Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey, statt. Bell Labs fungierte als Forschungsabteilung von American Telephone and Telegraph (AT&T). William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain sind für ihre Erfindung des Transistors bekannt. Das Aufkommen des Transistors wird häufig als einer der entscheidendsten technologischen Fortschritte der Geschichte angesehen.

Transistoren werden grob in zwei Haupttypen eingeteilt: der Bipolartransistor (BJT) und der Feldeffekttransistor (FET).

Julius Edgar Lilienfeld schlug das Prinzip des Feldeffekttransistors erstmals im Jahr 1925 vor. 1947 in den Bell Labs, John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley entwickelten die ersten betriebsfähigen Transistoren, insbesondere den Punktkontakttransistor. Anschließend führte Shockley 1948 den verbesserten Bipolartransistor ein, dessen Produktion in den frühen 1950er Jahren begann und die anfängliche weitverbreitete Einführung von Transistoren ermöglichte.

Der MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) entstand zwischen 1955 und 1960 in den Bell Labs. Diese Erfindung folgte auf Frosch und Dericks Entdeckung der Oberflächenpassivierung mithilfe von Siliziumdioxid, eine Erkenntnis, die sie bei der Entwicklung des verwendeten Transistors nutzten erste Planartransistoren, gekennzeichnet durch benachbarte Drain- und Source-Anschlüsse auf derselben Oberfläche. Dieser entscheidende Fortschritt ermöglichte die Massenproduktion von MOS-Transistoren für verschiedene Anwendungen und bildete die Grundlage für moderne Prozessoren und Festkörperspeicher. Infolgedessen hat sich der MOSFET zum weltweit am häufigsten hergestellten Gerät entwickelt.

Konzeptionelle Ursprünge des Transistors

Das erste Patent für das Feldeffekttransistorprinzip wurde am 22. Oktober 1925 in Kanada vom österreichisch-ungarischen Physiker Julius Edgar Lilienfeld eingereicht. Lilienfeld veröffentlichte jedoch keine Forschungsartikel zu seinen Geräten, was dazu führte, dass seine Arbeit von der Industrie übersehen wurde. Anschließend patentierte der deutsche Physiker Dr. Oskar Heil 1934 einen alternativen Feldeffekttransistor. Während direkte Beweise für die Konstruktion dieser frühen Geräte fehlen, zeigten spätere Untersuchungen in den 1990er Jahren, dass einer von Lilienfelds Entwürfen wie beschrieben funktionierte und einen erheblichen Gewinn brachte. Aus rechtlichen Unterlagen aus den Patentanmeldungen von Bell Labs geht hervor, dass William Shockley und sein Kollege Gerald Pearson betriebsfähige Versionen auf der Grundlage von Lilienfelds Patenten konstruiert haben, obwohl ihre endgültigen Transistorkonstruktionen unterschiedliche Betriebsprinzipien verwendeten.

Die Transistorforschung von Bell Labs entstand aus Kriegsinitiativen, die sich auf die Herstellung außergewöhnlich reiner Germanium-„Kristall“-Mischdioden konzentrierten. Diese Dioden waren integraler Bestandteil von Radargeräten und dienten als Frequenzmischerelemente in Mikrowellenradarempfängern. Gleichzeitig wurden im Rahmen eines Projekts an der Purdue University, bei dem es ebenfalls um Germaniumdioden ging, erfolgreich hochwertige Germanium-Halbleiterkristalle hergestellt, die anschließend in den Bell Labs verwendet wurden. Die unzureichende Schaltgeschwindigkeit früher röhrenbasierter Schaltkreise für diese Anwendung veranlasste das Bell-Team, Festkörperdioden einzuführen.

Nach dem Zweiten Weltkrieg beschloss Shockley, ein Halbleiterbauelement analog einer Triode zu entwickeln. Er besorgte sich die notwendigen Mittel und Laboreinrichtungen und arbeitete dann bei diesem Unterfangen mit Bardeen und Brattain zusammen. John Bardeen formulierte schließlich ein neues Teilgebiet der Quantenmechanik, die sogenannte Oberflächenphysik, um das beobachtete anomale Verhalten aufzuklären. Letztendlich gelang es Bardeen und Walter Brattain, ein funktionsfähiges Gerät zu konstruieren.

Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung des Transistors war ein verbessertes Verständnis der Elektronenmobilität in Halbleitern. Forscher erkannten, dass die Steuerung des Elektronenflusses vom Emitter zum Kollektor der damals kürzlich entdeckten Diode (ursprünglich 1874 identifiziert und 1906 patentiert) die Entwicklung eines Verstärkers ermöglichen würde. Beispielsweise würde die bloße Platzierung von Kontakten auf gegenüberliegenden Seiten eines Einkristalltyps den Stromfluss nicht erleichtern. Wenn jedoch ein dritter Kontakt in der Lage wäre, Elektronen oder Löcher in das Material zu injizieren, würde Strom entstehen.

Die Umsetzung dieses Konzepts erwies sich als äußerst herausfordernd. Für einen Kristall praktischer Abmessungen wäre die erforderliche Anzahl injizierter Elektronen oder Löcher erheblich, wodurch seine Nützlichkeit als Verstärker aufgrund des erheblichen anfänglichen Injektionsstrombedarfs verringert würde. Das Grundprinzip der Kristalldiode ging jedoch davon aus, dass der Kristall selbst Elektronen über eine winzige Distanz, insbesondere innerhalb des Verarmungsbereichs, liefern kann. Die entscheidende Erkenntnis bestand darin, die Eingangs- und Ausgangskontakte in unmittelbarer Nähe auf der Kristalloberfläche zu positionieren und diesen spezifischen Bereich zu flankieren.

Brattain begann mit der Entwicklung eines solchen Geräts, und das Forschungsteam beobachtete im Laufe seiner Bemühungen stets vielversprechende Anzeichen einer Verstärkung. Das System zeigte zeitweilige Funktionalität und stellte den Betrieb oft ohne Vorwarnung ein. Bemerkenswert ist, dass ein nicht funktionsfähiges System beim Eintauchen in Wasser funktionsfähig wurde. Elektronen in jedem Segment des Kristalls würden eine durch benachbarte Ladungen beeinflusste Wanderung zeigen. Elektronen in den Emittern und Löcher in den Kollektoren sammelten sich tendenziell an der Kristalloberfläche an, wo sie mit entgegengesetzten Ladungen im umgebenden Medium (Luft oder Wasser) interagieren konnten. Allerdings könnten diese Ladungsträger von der Oberfläche verdrängt werden, indem eine minimale Ladung von einem alternativen Punkt auf den Kristall aufgebracht würde. Folglich könnte eine genau lokalisierte, kleine Menge an Elektronen auf dem Kristall den gewünschten Effekt erzielen und die Notwendigkeit einer erheblichen Zufuhr injizierter Elektronen überflüssig machen.

Dieses verbesserte Verständnis löste teilweise die Herausforderung, einen extrem begrenzten Kontrollbereich zu erfordern. Anstatt zwei verschiedene Halbleiter zu verwenden, die durch einen gemeinsamen, winzigen Bereich verbunden sind, erwies sich eine einzelne, größere Oberfläche als ausreichend. Sowohl die Emitter- als auch die Kollektorleitungen waren nahe beieinander auf der Oberseite positioniert, während sich die Steuerleitung auf der Basis des Kristalls befand. Beim Anlegen von Strom an die „Basis“-Leitung würden Elektronen oder Löcher durch den Halbleiterblock geschleudert und sich auf der gegenüberliegenden Oberfläche ansammeln. Vorausgesetzt, Emitter und Kollektor blieben in unmittelbarer Nähe, sollte dieser Mechanismus einen ausreichenden Elektronen- oder Lochfluss zwischen ihnen ermöglichen, um die Leitung auszulösen.

Ralph Bray, damals Doktorand, war ein früher Beobachter dieses Phänomens. Im November 1943 schloss er sich der Germanium-Forschungsinitiative an der Purdue University an, wo ihm die komplizierte Aufgabe übertragen wurde, den Ausbreitungswiderstand an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche zu messen. Bray entdeckte zahlreiche Anomalien, darunter interne Barrieren mit hohem Widerstand in bestimmten Germaniumproben. Die faszinierendste Beobachtung war der bemerkenswert niedrige Widerstand, der beim Anlegen von Spannungsimpulsen festgestellt wurde. Dieser Effekt blieb bis 1948 rätselhaft, als bekannt wurde, dass Bray die Injektion von Minderheitsträgern beobachtet hatte – ein Phänomen, das später von William Shockley in den Bell Labs identifiziert wurde und sich als entscheidend für die Realisierung des Transistors erwies.

Bray erklärte: „Das war der einzigartige Aspekt, den wir übersehen haben; aber selbst wenn wir das Konzept der Injektion von Minderheitsträgern verstanden hätten, wären wir lediglich zu dem Schluss gekommen: ‚Oh, das verdeutlicht unsere beobachteten Effekte.‘ Es ist unwahrscheinlich, dass wir dann erklärt hätten: „Lasst uns mit der Transistorfertigung beginnen“, eine Produktionsanlage errichten und sie vermarkten … Während dieser Zeit war der Gleichrichter mit hoher Gegenspannung das wichtigste Gerät.“

Anfangs versuchte Shockleys Forschungsteam, einen Feldeffekttransistor (FET) zu konstruieren, indem es versuchte, die Halbleiterleitfähigkeit zu modulieren. Diese Bemühungen waren jedoch erfolglos, vor allem aufgrund von Problemen im Zusammenhang mit Oberflächenzuständen, freien Bindungen und den Eigenschaften von Germanium- und Kupferverbindungsmaterialien. Ihre anschließende Untersuchung der rätselhaften Ursachen für ihr Scheitern bei der Entwicklung eines funktionsfähigen FET führte schließlich zur Erfindung sowohl bipolarer Punktkontakt- als auch Sperrschichttransistoren.

Der erste funktionsfähige Transistor

Das Bell-Team unternahm zahlreiche Versuche, ein solches System mithilfe verschiedener Instrumente zu konstruieren, doch diese Bemühungen erwiesen sich größtenteils als erfolglos. Konfigurationen, bei denen die elektrischen Kontakte ausreichend nahe beieinander lagen, zeigten durchweg eine Zerbrechlichkeit, die mit der der ursprünglichen Katzenschnurrhaar-Detektoren vergleichbar war, und funktionierten, wenn überhaupt, nur vorübergehend. Letztendlich wurde ein erheblicher praktischer Fortschritt erzielt. Ein Stück Goldfolie wurde am Umfang eines dreieckigen Kunststoffkeils befestigt und anschließend mit einem Rasiermesser an der Spitze des Dreiecks eingeschnitten. Dieser Prozess ergab zwei Goldkontakte, die sehr nahe beieinander positioniert waren. Beim Niederdrücken des Kunststoffs auf eine Kristalloberfläche und beim Anlegen einer Spannung an die gegenüberliegende Seite (an der Basis des Kristalls) begann ein Stromfluss zwischen den beiden Kontakten, da die Basisspannung Elektronen von der Basis in Richtung des an die Kontakte angrenzenden Bereichs abstieß. Diese Innovation markierte die Erfindung des Punktkontakttransistors.

Walter Brattains Labornotizbucheintrag vom 15. Dezember 1947 dokumentierte, dass bei sehr nahe beieinander liegenden Kontaktpunkten eine Spannungsverstärkung von etwa 2 erreicht wurde, allerdings ohne entsprechende Leistungsverstärkung. Diese beobachtete Spannungsverstärkung blieb über einen Frequenzbereich von 10 bis 10.000 Zyklen konstant.

Die Notizen vom 16. Dezember 1947 beschreiben den Versuchsaufbau: Es wurde ein doppelter Punktkontakt mit einer auf 90 Volt eloxierten Germaniumoberfläche hergestellt, anschließend mit H₂ gespült, um den Elektrolyten zu entfernen, und dann mit verdampften Goldflecken beschichtet. Anschließend wurden die Goldkontakte auf die freigelegte Oberfläche gepresst und beide Kontakte zeigten eine wirksame Gleichrichtung. Der Abstand zwischen den Punkten betrug etwa 4x10⁻³ cm. Ein Punkt fungierte als Gitter, während der andere als Platte diente. Um die Verstärkung zu erreichen, war eine positive Gleichstromvorspannung (D.C.) im Netz erforderlich, was zu einer Leistungsverstärkung von 1,3 und einer Spannungsverstärkung von 15 bei einer Plattenvorspannung von etwa 15 Volt führte.

Am Nachmittag des 23. Dezember 1947 führten Walter Brattain und H. R. Moore eine Demonstration für ihre Kollegen und das Management bei Bell Labs durch, ein Ereignis, das häufig als Entstehungsgeschichte des Transistors bezeichnet wird. Während dieses Versuchs fungierte der „PNP-Punktkontakt-Germanium-Transistor“ als Sprachverstärker und erreichte eine Leistungsverstärkung von 18. Anschließend erhielten John Bardeen, Walter Houser Brattain und William Bradford Shockley 1956 den Nobelpreis für Physik für ihre bahnbrechende Forschung zu Halbleitern und ihre Entdeckung des Transistoreffekts.

Zwölf Personen wurden als direkt an der Erfindung des Transistors im Bell Laboratory beteiligt identifiziert.

Gleichzeitig wurde Mehrere europäische Wissenschaftler untersuchten das Konzept von Festkörperverstärkern. Der deutsche Physiker Herbert F. Mataré (1912–2011) hatte bereits 1942 Experimente bei Telefunken initiiert und dabei eine sogenannte „Duodiode“ (Doppeldiode) verwendet, bei der er erstmals Transkonduktanzeffekte in Siliziumdioden feststellte, die für deutsche Radarsysteme im Zweiten Weltkrieg hergestellt wurden. Schließlich reichten Mataré und Heinrich Welker (1912–1981) am 13. August 1948 während ihrer Anstellung bei der Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse in Aulnay-sous-Bois, Frankreich, einen Patentantrag für einen Verstärker ein, der auf dem Minoritätsträgerinjektionsverfahren basierte und den sie „Transistron“ nannten. Dieses Gerät wurde am 18. Mai 1949 öffentlich vorgestellt. Anschließend wurden Transistrone kommerziell für die staatliche französische Telefongesellschaft und für militärische Zwecke hergestellt, und 1953 wurde auf der Düsseldorfer Radiomesse ein Halbleiterradioempfänger mit vier Transistronen ausgestellt.

Angesichts der Tatsache, dass Bell Labs ihren Transistor nicht vor Juni 1948 öffentlich ankündigte, stellte die Entwicklung des Transistrons eine unabhängige und parallele Entdeckung dar.

Etymologie

Bell Telephone Laboratories verlangte eine generische Bezeichnung für die neuartige Erfindung. Mehrere Namen wurden erwogen, darunter „Semiconductor Triode“, „Surface States Triode“, „Crystal Triode“, „Solid Triode“ und „Iotatron“. „Transistor“, ein von John R. Pierce stammender Begriff, erwies sich jedoch in einer internen Abstimmung als eindeutige Wahl, was teilweise auf die etablierte Vorliebe der Bell-Ingenieure für das Suffix „-istor“ zurückzuführen war. Die Begründung für diese Nomenklatur wird im folgenden Auszug aus dem technischen Memorandum des Unternehmens zur Einholung von Stimmen ausführlich erläutert.

Der Begriff „Transistor“ stellt eine abgekürzte Kombination aus „Transkonduktanz“ oder „Transfer“ und „Varistor“ dar. Dieses Gerät ist logisch innerhalb der Varistorfamilie kategorisiert und weist die Transkonduktanz- oder Transferimpedanzcharakteristik einer verstärkungserzeugenden Komponente auf, wodurch diese kombinierte Nomenklatur beschreibend wird.

Pierces Erinnerungen an den Namensgebungsprozess unterschieden sich geringfügig.

Der Name „Transistor“ wurde aufgrund der Funktion des Geräts als Gegenstück zur Vakuumröhre vorgeschlagen. Da Vakuumröhren eine Transkonduktanz aufwiesen, wurde das neue Gerät so konzipiert, dass es über einen „Transwiderstand“ verfügt. Diese Namenskonvention stimmt auch mit anderen Geräten wie „Varistor“ und „Thermistor“ überein.

Laut der Nobelstiftung ist der Begriff „Transistor“ ein Kunstwort aus den Wörtern „Übertragung“ und „Widerstand“.

Frühe Konflikte

Shockley äußerte sich unzufrieden mit der Zuschreibung der Erfindung des Geräts an Brattain und Bardeen und betrachtete deren Handlungen als einen Versuch, die alleinige Anerkennung zu beanspruchen. Die Situation eskalierte, als der Rechtsberater von Bell Labs Ähnlichkeiten zwischen einigen Transistordokumentationen von Shockley und einem Patent von Julius Edgar Lilienfeld aus dem Jahr 1925 entdeckte. Daher wurde es als klug erachtet, Shockleys Namen aus der Patentanmeldung auszuschließen.

Verbesserungen im Transistordesign

Übergang zu Silizium

Germanium stellte Herausforderungen bei der Reinigung dar und wies einen eingeschränkten Betriebstemperaturbereich auf. Obwohl Wissenschaftler vermuteten, dass Silizium eine einfachere Herstellung ermöglichen würde, wurden dieses Potenzial zunächst nur begrenzt erforscht. Morris Tanenbaum und seine Kollegen von den Bell Laboratories stellten am 26. Januar 1954 den ersten funktionsfähigen Siliziumtransistor her. Unabhängig davon entwickelte Gordon Teal von Texas Instruments einige Monate später ein vergleichbares Gerät. Beide frühen Siliziumtransistoren wurden durch präzise Steuerung der Dotierung einzelner Siliziumkristalle während ihres Wachstums aus geschmolzenem Silizium hergestellt. Anschließend entwickelten Morris Tanenbaum und Calvin S. Fuller in den Bell Laboratories Anfang 1955 eine fortschrittlichere Technik, die die Gasdiffusion von Donor- und Akzeptorverunreinigungen in einkristalline Siliziumchips beinhaltete.

Trotz dieser Fortschritte blieb Germanium bis in die späten 1950er Jahre das vorherrschende Halbleitermaterial für Transistoren und andere Halbleiterbauelemente. Germanium wurde zunächst aufgrund seiner überlegenen Ladungsträgermobilität bevorzugt, was zu einer besseren Leistung führte. Die vergleichsweise geringere Leistung früher Siliziumhalbleiter war auf Einschränkungen der elektrischen Leitfähigkeit zurückzuführen, die durch instabile Quantenoberflächenzustände verursacht wurden, die eine zuverlässige Stromdurchdringung in die darunter liegende halbleitende Siliziumschicht verhinderten.

Siliziumoberflächenpassivierung

Oberflächenpassivierung, definiert als der Prozess, eine Halbleiteroberfläche inert zu machen, um Änderungen ihrer Eigenschaften durch Wechselwirkung mit Luft oder anderen Kontaktmaterialien zu verhindern, wurde ursprünglich zwischen 1955 und 1957 von Carl Frosch und Lincoln Derrick in den Bell Labs entdeckt. Frosch und Derrick zeigten, dass ein Siliziumdioxid (SiO
§67§) Schicht könnte Siliziumwafer vor Umwelteinflüssen schützen, als Maske gegen Dotierstoffdiffusion in Silizium dienen und für elektrische Isolierung sorgen. Sie bestätigten dies durch die Herstellung der ersten Siliziumdioxid-Transistoren, die durch benachbarte Drain- und Source-Anschlüsse auf der Oberfläche gekennzeichnet sind und durch eine SiO
§1718§-Schicht isoliert sind.

Planarer Prozess

Jean Hoerni war sich der Forschung bewusst, die Frosch und Derrick bei Bell Labs durchführten. Anschließend besuchte Hoerni einen Vortrag von Atalla, der die Passivierung auf der Grundlage der oben genannten Erkenntnisse von Bell Labs diskutierte. Hoerni nutzte die passivierenden Eigenschaften von Siliziumdioxid auf der Siliziumoberfläche und schlug die Herstellung von Transistoren vor, die durch eine Siliziumdioxidschicht geschützt sind. Das erste Patent für dieses Konzept erhielt er 1959 während seiner Zeit bei Fairchild Semiconductor.

MOSFET

Der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) wurde 1959 eingeführt. Bis 2020 blieb er der vorherrschende Transistortyp mit geschätzten 13 Sextillionen (1,3×10²²) MOSFETs, die zwischen 1960 und 2018 hergestellt wurden. Hauptvorteile von MOSFETs über Bipolar Junction Transistoren (BJTs) zeichnen sich durch einen minimalen Stromverbrauch außer während Zustandsübergängen und überlegene Schaltgeschwindigkeiten aus, was sie ideal für die digitale Signalverarbeitung macht.

Frühe Kommerzialisierung

Die weltweit erste kommerzielle Transistorproduktionslinie wurde im Western Electric-Werk am Union Boulevard in Allentown, Pennsylvania, errichtet. Die Fertigung begann am 1. Oktober 1951 mit der Produktion von Punktkontakt-Germaniumtransistoren.

Der erste kommerzielle Einsatz von Transistoren in der Telekommunikation erfolgte Ende 1952, insbesondere in Tongeneratoren für Mehrfrequenzsignale im No. Ihrer weiten Verbreitung standen jedoch erhebliche Herausforderungen im Weg, insbesondere die Anfälligkeit gegenüber Feuchtigkeit und die inhärente Zerbrechlichkeit von Drähten, die mit Germaniumkristallen verbunden sind. Donald G. Fink, damals Forschungsdirektor bei Philco, fasste die kommerziellen Aussichten des Transistors in einer eindrucksvollen Analogie zusammen: „Ist es ein pickeliger Jugendlicher, der jetzt unbeholfen ist, aber Zukunftskraft verspricht? Oder ist er zur Reife gelangt, voller Trägheit, umgeben von Enttäuschungen?“

Während der Entstehungsphase der Halbleiterindustrie konzentrierten sich die Hersteller hauptsächlich auf Sperrschichttransistoren. Dennoch stellte der Sperrschichttransistor eine vergleichsweise sperrige Komponente dar, was die Massenproduktion vor Herausforderungen stellte und dadurch seinen Nutzen auf eine begrenzte Anzahl spezialisierter Anwendungen beschränkte.

Transistorradios

Erste Prototypen von Volltransistor-AM-Funkempfängern wurden vorgestellt, diese blieben jedoch weitgehend auf Laborexperimente beschränkt. Anschließend entwickelte Shockley im Jahr 1950 einen grundlegend anderen Festkörperverstärker namens Bipolartransistor, der nach Prinzipien arbeitete, die sich völlig von denen des Punktkontakttransistors unterschieden. Morgan Sparks war maßgeblich an der Umwandlung des Bipolartransistors in ein brauchbares praktisches Gerät beteiligt. Anschließend wurde die Technologie an verschiedene andere Elektronikfirmen lizenziert, insbesondere an Texas Instruments, das zu Werbezwecken eine begrenzte Serie von Transistorradios herstellte. Anfänglich wiesen Transistoren eine chemische Instabilität auf und waren daher auf Anwendungen mit geringer Leistung und niedriger Frequenz beschränkt. Fortschritte im Transistordesign haben diese Einschränkungen jedoch zunehmend abgemildert.

Mehrere Unternehmen behaupten, Pionierarbeit bei der Herstellung praktischer Transistorradios zu leisten. Texas Instruments hatte bereits 1952 Alltransistor-AM-Radios vorgestellt; Dennoch blieb ihre Leistung deutlich hinter der vergleichbarer Vakuumröhrenmodelle zurück. Im August 1953 stellte die deutsche Firma Intermetall auf der Düsseldorfer Radiomesse öffentlich ein funktionsfähiges Volltransistorradio vor. Dieses Gerät enthielt vier proprietäre, handgefertigte Transistoren von Intermetall, die auf der Erfindung von Herbert Mataré und Heinrich Welker aus dem Jahr 1948 basieren. Allerdings wurden, ähnlich wie bei den ersten Einheiten von Texas Instruments und anderen frühen Iterationen, immer nur Prototypen gebaut, was eine kommerzielle Produktion ausschloss.

Das bahnbrechende Transistorradio wird häufig, wenn auch fälschlicherweise, Sony (ursprünglich Tokyo Tsushin Kogyo) zugeschrieben, das 1955 den TR-55 auf den Markt brachte. Dennoch wurde der Regency TR-1, hergestellt von der Regency Division von I.D.E.A. (Industrial Development Engineering Associates) in Indianapolis, Indiana, war älter als es und gilt als das erste praktische Transistorradio. Der TR-1 wurde am 18. Oktober 1954 offiziell angekündigt und kam im November 1954 zu einem Preis von 49,95 US-Dollar (ungefähr 500 US-Dollar in der Währung von 2020) auf den Markt. Es wurden etwa 150.000 Einheiten verkauft.

Der TR-1 enthielt vier NPN-Transistoren von Texas Instruments und benötigte für den Betrieb eine 22,5-Volt-Batterie, um eine ausreichende Hochfrequenzleistung zu erzielen Frühe Transistoren erforderten einen Betrieb nahe ihrer Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung. Infolgedessen verursachte der TR-1 hohe Betriebskosten und erfreute sich mehr Beliebtheit aufgrund seiner Neuartigkeit und Statusattraktivität als aufgrund seiner inhärenten Leistung, die den ersten MP3-Playern ähnelte.

Trotz seiner bescheidenen Leistung stellte der TR-1 für seine Zeit ein hochentwickeltes Produkt dar, das Leiterplatten und damals als Mikrominiaturkomponenten angesehene Komponenten verwendete.

Masaru Ibuka, Mitbegründer des japanischen Konzerns Sony, war in den Vereinigten Staaten, als Bell Labs die Werbung veröffentlichte die Verfügbarkeit von Herstellungslizenzen, die umfassende Anweisungen zur Herstellung von Sperrschichttransistoren enthielten. Ibuka erhielt vom japanischen Finanzministerium eine Sondergenehmigung zur Überweisung der Lizenzgebühr in Höhe von 50.000 US-Dollar und 1955 brachte das Unternehmen unter der neu gegründeten Marke Sony sein proprietäres Fünf-Transistor-„Manteltaschenradio“ TR-55 auf den Markt. Obwohl dieses Produkt schnell durch anspruchsvollere Designs abgelöst wurde, wird es allgemein als der Ursprung der Entwicklung von Sony zu einem herausragenden Fertigungsunternehmen angesehen.

Der TR-55 wies erhebliche Ähnlichkeiten mit dem Regency TR-1 auf, nutzte eine identische 22,5-Volt-Batterie, bot jedoch nur begrenzte praktische Vorteile. Schematische Diagramme weisen jedoch auf eine 6-Volt-Stromversorgung für den TR-55 hin. Seine Verbreitung außerhalb Japans blieb stark eingeschränkt. Das bahnbrechende Hemdtaschenradio „TR-63“ von Sony, das 1957 eingeführt wurde, stellte einen bedeutenden Fortschritt dar. Dieses anspruchsvollere Design wurde mit einer Standard-9-Volt-Batterie betrieben und zeigte eine konkurrenzfähige Leistung gegenüber tragbaren Vakuumröhrenradios. Darüber hinaus war der TR-63 ein Pionier durch die ausschließliche Verwendung von Miniaturkomponenten in einem Transistorradio. Die Bezeichnung „Tasche“ war fraglich, da Sony Berichten zufolge seinem Verkaufspersonal maßgeschneiderte Hemden mit vergrößerten Taschen zur Unterbringung des Geräts zur Verfügung stellte.

Am 28. April 1955 berichtete das Wall Street Journal, dass Chrysler und Philco gemeinsam das weltweit erste Alltransistor-Autoradio entwickelt und hergestellt hatten. Anschließend bot Chrysler dieses Volltransistor-Autoradio mit der Bezeichnung Mopar-Modell 914HR im Herbst 1955 als optionale Ausstattung für die kommenden 1956er Chrysler- und Imperial-Fahrzeuglinien an, die am 21. Oktober 1955 in den Ausstellungsräumen debütierten. Der Preis für dieses fortschrittliche Autoradio betrug 150 US-Dollar.

Das 1957 eingeführte Sony TR-63 markierte die Einführung von Transistorradios in Massenproduktion herzustellen und so deren weitverbreitete Markteinführung zu erleichtern. Bis Mitte der 1960er-Jahre wurden weltweit sieben Millionen Einheiten des TR-63 verkauft. Der nachweisbare Erfolg des TR-63 veranlasste andere japanische Hersteller, darunter Toshiba und Sharp Corporation, in den Markt für Transistorradios einzusteigen. Sonys Erfolge bei der Herstellung von Transistorradios trugen entscheidend zum Übergang in den späten 1950er Jahren bei, als Transistoren die Vakuumröhren als vorherrschende elektronische Technologie ablösten.

Hobbyisten-Anwendungen

Raytheon stellte Anfang 1953 den CK722 vor, einen PNP-Germanium-Kleinsignal-Sperrschichttransistor, und machte ihn damit zum ersten erschwinglichen Sperrschichttransistor, der für die Öffentlichkeit allgemein zugänglich war, zum Preis von 7,60 US-Dollar pro Einheit. In den 1950er und 1960er Jahren wurden zahlreiche Hobby-Elektronikprojekte mit dem CK722-Transistor in populären Publikationen und Zeitschriften dokumentiert. Raytheon förderte den Nutzen des CK722 für Amateurelektronik durch die Veröffentlichung von „Transistor Applications“ und „Transistor Applications – Band 2“ Mitte der 1950er Jahre weiter.

Transistorcomputer

Im November 1953 entwickelte die Universität Manchester den weltweit ersten Transistorcomputer. Dieser Computer wurde von Richard Grimsdale konstruiert, damals Forschungsstudent am Fachbereich Elektrotechnik und später Professor für Elektrotechnik an der Sussex University. Das Gerät enthielt Punktkontakttransistoren, die von STC und Mullard in begrenzten Mengen hergestellt wurden. Diese Transistoren bestanden aus einem einzelnen Germaniumkristall, der durch zwei feine Drähte verbunden war, was an die in den 1920er Jahren vorherrschenden Kristall- und Katzenhaardetektoren erinnerte. Ein bemerkenswertes Merkmal dieser Transistoren war ihre Fähigkeit, zwei stabile Zustände innerhalb einer einzigen Einheit aufrechtzuerhalten. Allerdings wurde der Entwicklungsprozess durch die inhärente Unzuverlässigkeit dieser Transistoren erheblich behindert. Der Stromverbrauch des Systems betrug 150 Watt.

Im Jahr 1956 rekonstruierte Metropolitan Vickers Ltd intern das komplette Design, das 200 Transistoren und 1300 Dioden unter Verwendung von Sperrschichttransistoren umfasste.

Der IBM 7070 (1958), der IBM 7090 (1959) und der CDC 1604 (1960) stellen die ersten kommerziell erhältlichen Computer dar, die integrierte Transistortechnologie.

MOSFET (MOS-Transistor)

Im Jahr 1955 bildeten Carl Frosch und Lincoln Derick versehentlich eine Siliziumdioxidschicht auf einem Siliziumwafer und beobachteten anschließend Oberflächenpassivierungseffekte. Bis 1957 stellten Frosch und Derick mit Maskierungs- und Vorabscheidungstechniken erfolgreich die ersten planaren Transistoren her, bei denen die Drain- und Source-Elektroden nebeneinander auf derselben Oberfläche positioniert wurden.

Aufbauend auf dieser Grundlagenforschung schlugen Mohamed Atalla und Dawon Kahng 1959 einen Silizium-MOS-Transistor vor und demonstrierten 1960 zusammen mit ihrem Bell Labs-Team erfolgreich ein funktionsfähiges MOS-Gerät. Das Team bestand aus E. E. LaBate und E. I. Povilonis, verantwortlich für die Geräteherstellung; M. O. Thurston, L. A. D’Asaro und J. R. Ligenza, die die Diffusionsprozesse entwickelten; und H. K. Gummel und R. Lindner, die die Gerätecharakterisierung durchführten.

Der MOSFET zeichnete sich durch überlegene Skalierbarkeit, einen deutlich geringeren Stromverbrauch und eine höhere Dichte im Vergleich zu Bipolartransistoren aus und ermöglichte die Schaffung hochdichter integrierter Schaltkreise (ICs), was die Integration von über 10.000 Transistoren auf einem einzigen IC ermöglichte.

Carver Mead entwickelte und berichtete über das erste Galliumarsenid Schottky-Gate-Feldeffekttransistor (MESFET) im Jahr 1966. Anschließend veröffentlichten Dawon Kahng und Simon Sze 1967 den ersten Bericht über einen Floating-Gate-MOSFET (FGMOS).

Der MOSFET hat sich zum am häufigsten produzierten Gerät der Geschichte entwickelt. Bis 2018 wurden schätzungsweise 13 Billionen MOS-Transistoren hergestellt.

PMOS- und NMOS-Technologien

Anfangs umfasste die MOSFET-Logik zwei Haupttypen: PMOS (p-Typ-MOS) und NMOS (n-Typ-MOS). Beide wurden 1957 von Frosch und Derrick in den Bell Labs konzipiert.

CMOS-Technologie

Im Jahr 1948 sicherten sich Bardeen und Brattain bei Bell Labs ein Patent für einen Transistor mit isoliertem Gate (IGFET) mit einer Inversionsschicht, einem grundlegenden Konzept für die heutige CMOS-Technologie. Anschließend entwickelten Chih-Tang Sah und Frank Wanlass von Fairchild Semiconductor einen neuartigen MOSFET-Logiktyp, Complementary MOS (CMOS), und veröffentlichten ihre Erfindung im Februar 1963 in einer Forschungsarbeit.

Self-Aligned Gate-Technologie

Der MOSFET-Transistor mit selbstausrichtendem Gate (Silizium-Gate) wurde 1967 von Robert Kerwin, Donald Klein und John Sarace in den Bell Labs konzipiert. Anschließend verwendeten Federico Faggin und Tom Klein, Forscher bei Fairchild Semiconductor, MOSFETs mit selbstausrichtendem Gate, um den ersten integrierten MOS-Schaltkreis mit Silizium-Gate zu entwickeln.

Kommerzialisierung der MOSFET-Technologie

Der MOSFET, auch MOS-Transistor genannt, war der erste wirklich kompakte Transistor, der für verschiedene Anwendungen miniaturisiert und in Massenproduktion hergestellt werden konnte. Seine Einführung hat den gesamten Elektroniksektor tiefgreifend verändert und umfasst Leistungselektronik, Unterhaltungselektronik, Steuerungssysteme und Computer. Seit seiner Einführung hat sich der MOSFET zum weltweit vorherrschenden Transistortyp entwickelt und findet Anwendung in Computern, allgemeiner Elektronik und Kommunikationstechnologien, einschließlich Smartphones. Der MOS-Transistor wird häufig als „Arbeitspferd der Elektronikindustrie“ bezeichnet, da er eine grundlegende Rolle als Baustein für jeden derzeit in Betrieb befindlichen Mikroprozessor, Speicherchip und Telekommunikationsschaltkreis spielt. Seit 2013 werden täglich Milliarden von MOS-Transistoren produziert.

Integrierte Schaltkreise

General Microelectronics brachte 1964 die ersten kommerziellen integrierten MOS-Schaltkreise auf den Markt, die 120 p-Kanal-Transistoren enthielten. Dieses Gerät war ein 20-Bit-Schieberegister, entwickelt von Robert Norman und Frank Wanlass. Anschließend entwickelten die Bell Labs-Forscher Robert Kerwin, Donald Klein und John Sarace 1967 den MOS-Transistor mit selbstausrichtendem Gate (Silizium-Gate), eine Technologie, die später von den Fairchild Semiconductor-Forschern Federico Faggin und Tom Klein genutzt wurde, um den ersten Silizium-Gate-MOS-IC zu entwickeln.

Bis 1972 hatten MOS-LSI-Schaltkreise (Large-Scale Integration) in einer Vielzahl von Anwendungen, wie z. schwere Fahrzeuge, Haushaltsgeräte, Büromaschinen, elektronische Musikinstrumente, Computerperipheriegeräte, Kassensysteme, Taschenrechner sowie Datenübertragungs- und Telekommunikationsgeräte.

Halbleiterspeicher

Die ersten modernen Speicherzellen entstanden 1965 mit John Schmidts Entwurf des ersten 64-Bit-MOS-SRAM (statisches RAM). Zwei Jahre später, im Jahr 1967, patentierte Robert H. Dennard von IBM eine DRAM-Speicherzelle (Dynamic RAM) mit einem Transistor, die einen MOSFET nutzte.

Die früheste praktische Implementierung des Floating-Gate-MOSFET (FGMOS) umfasste Floating-Gate-Speicherzellen, von denen Dawon Kahng und Simon Sze postulierten, dass sie die Erstellung eines umprogrammierbaren ROM (Nur-Lese-Speicher) erleichtern könnten. Anschließend bildeten Floating-Gate-Speicherzellen die technologische Grundlage für verschiedene nichtflüchtige Speicherlösungen (NVM), darunter EPROM (löschbares programmierbares ROM), EEPROM (elektrisch löschbares programmierbares ROM) und Flash-Speicher.

Mikroprozessoren

Der MOSFET dient als Grundkomponente aller Mikroprozessoren. Ursprünglich waren alle Mikroprozessoren MOS-Mikroprozessoren, die mit MOS-LSI-Schaltkreisen aufgebaut waren. Die bahnbrechenden Multi-Chip-Mikroprozessoren, insbesondere der Four-Phase Systems AL1 im Jahr 1969 und der Garrett AiResearch MP944 im Jahr 1970, wurden unter Verwendung mehrerer MOS-LSI-Chips entwickelt. Der erste kommerziell erhältliche Einzelchip-Mikroprozessor, der Intel 4004, wurde von Federico Faggin unter Nutzung seiner Silizium-Gate-MOS-IC-Technologie in Zusammenarbeit mit den Intel-Ingenieuren Marcian Hoff und Stan Mazor sowie dem Busicom-Ingenieur Masatoshi Shima entwickelt. Nach der Einführung von CMOS-Mikroprozessoren im Jahr 1975 entwickelte sich die Bezeichnung „MOS-Mikroprozessoren“, um Chips zu beschreiben, die ausschließlich aus PMOS- oder NMOS-Logik hergestellt wurden, und sie von „CMOS-Mikroprozessoren“ und „bipolaren Bit-Slice-Prozessoren“ zu unterscheiden.

Taschenrechner

Der elektronische Taschenrechner entwickelte sich zu einem der ersten einflussreichen Unterhaltungselektronikprodukte, die auf MOS-Transistoren basieren. Im Jahr 1965 war der Desktop-Rechner Victor 3900 der erste MOS-LSI-Rechner mit 29 MOS-LSI-Chips. Anschließend, im Jahr 1967, debütierte der Texas Instruments Cal-Tech als erster Prototyp eines elektronischen Handrechners mit drei MOS-LSI-Chips und wurde 1970 als Canon Pocketronic kommerziell eingeführt. Der Sharp QT-8D Tischrechner, der 1969 auf den Markt kam, war der erste in Serie gefertigte LSI-MOS-Rechner. Daraufhin war der Sharp EL-8, der vier MOS-LSI-Chips nutzte, 1970 der erste kommerzielle elektronische Handrechner. Letztendlich gilt der Busicom LE-120A HANDY LE, der 1971 auf den Markt kam, als erster echter elektronischer Taschenrechner, der sich durch die Verwendung eines einzelnen MOS-LSI-Rechners auf einem Chip von Mostek auszeichnete.

Personalcomputer

In den 1970er Jahren diente der MOS-Mikroprozessor als Basistechnologie für Heimcomputer, Mikrocomputer und Personalcomputer. Diese Entwicklung leitete das ein, was allgemein als Personalcomputer-Revolution oder Mikrocomputer-Revolution bezeichnet wird.

Leistungselektronik

Der Leistungs-MOSFET gilt als das weltweit am häufigsten genutzte Leistungsgerät. Zu seinen Vorteilen gegenüber bipolaren Sperrschichttransistoren in der Leistungselektronik gehört, dass zur Aufrechterhaltung des EIN-Zustands kein kontinuierlicher Antriebsstrom erforderlich ist, wodurch höhere Schaltgeschwindigkeiten, geringere Schaltleistungsverluste, niedrigere Einschaltwiderstände und eine geringere Anfälligkeit für thermisches Durchgehen gewährleistet werden. Die Einführung des Leistungs-MOSFET beeinflusste die Stromversorgung erheblich und ermöglichte höhere Betriebsfrequenzen, eine Reduzierung von Größe und Gewicht sowie eine gesteigerte Massenproduktion.

Der Leistungs-MOSFET wurde Anfang der 1970er Jahre entwickelt und ist eine weit verbreitete Komponente in der Leistungselektronik. Dieses Gerät ermöglicht eine geringe Gate-Antriebsleistung, schnelle Schaltgeschwindigkeiten und verbesserte Parallelschaltungsfähigkeiten.

Nachhaltige Transistoren

Ende April 2023 entwickelten Forscher der Universität Linköping und des KTH Royal Institute of Technology erfolgreich den weltweit ersten Holztransistor. Diese Innovation ebnet möglicherweise den Weg für eine nachhaltigere Elektronik und die Steuerung elektronischer Anlagen. Das Team entwickelte einen funktionsfähigen Transistor, der elektronische Signale schalten kann, indem es einen Elektrolyten auf Zellulosebasis und aus Lignin gewonnene organische Halbleiter nutzte. Dieser Durchbruch verspricht, die Forschung zu umweltfreundlichen elektronischen Geräten voranzutreiben und die Integration von Elektronik in lebende Pflanzen für Überwachungs- und Steuerungsanwendungen zu untersuchen.

Patente

• US 1745175 Julius Edgar Lilienfeld: „Methode und Vorrichtung zur Steuerung des elektrischen Stroms“, erstmals am 22.10.1925 in Kanada eingereicht, beschreibt einen Feldeffekttransistor
• US 1900018 Julius Edgar Lilienfeld: „Gerät zur Steuerung des elektrischen Stroms“, eingereicht am 28.03.1928, ein Dünnschicht-Feldeffekttransistor
• GB 439457 Oskar Heil: „Verbesserungen an oder im Zusammenhang mit elektrischen Verstärkern und anderen Steuerungsanordnungen und -geräten“, erstmals eingereicht in Deutschland am 02.03.1934
• US 2524035 John Bardeen et al.: „Drei-Elektroden-Schaltkreiselement unter Verwendung halbleitender Materialien“, älteste Priorität 1948-02-26
• US 2569347 William Shockley: „Schaltungselement unter Verwendung halbleitenden Materials“, älteste Priorität 1948-06-26
• US 3206670 Mohamed Atalla: „Halbleiterbauelemente mit dielektrischen Beschichtungen“, eingereicht am 03.08.1960, in der ein MOSFET beschrieben wird
• US 3102230 Dawon Kahng: „Electric Field Controlled Semiconductor Device“, eingereicht am 03.08.1960, beschreibt einen MOSFET

Referenzen

Bücher und Literatur

• Gertner, John (2012). Die Ideenfabrik: Bell Labs und das große Zeitalter der amerikanischen Innovation. Pinguin-Bücher. ISBN 978-0-14-312279-1.Riordan, Michael; Hoddeson, Lillian (1998). Crystal Fire. W.W Norton & Company Limited. ISBN 978-0-393-31851-7.Kai Handel (29. Juni 1999). „Anfänge der Halbleiterforschung und -entwicklung: Präsentiert anhand der Biografien von vier deutschen Halbleiterpionieren.“ Doktorarbeit RWTH Aachen.Der historische Überblick über Transistoren des Bell Systems Memorial.
  • Das Bell Systems Memorial für Transistoren.
  • IEEE Global History Network, The Transistor and Portable Electronics. Diese Ressource bietet umfassende historische Einblicke in Transistoren und integrierte Schaltkreise.
  • Transistorisiert. Diese Ressource des öffentlich-rechtlichen Rundfunks bietet historische und technische Informationen.
  • Dieser Monat in der Geschichte der Physik: 17. November bis 23. Dezember 1947: Erfindung des ersten Transistors. Ein historischer Bericht der American Physical Society.
  • 50 Jahre Transistor. Ein Artikel, veröffentlicht von Science Friday am 12. Dezember 1997.
  • Ganssle, Jack. „Der Transistor: 60 Jahre alt und immer noch im Wandel.“ EEtimes, 28. November 2007.
  • Markoff, John. „Der parallele Erfinder des Transistors hat seinen Moment.“ The New York Times, 24. Februar 2003.
  • Riordan, Michael. „Wie Europa den Transistor verpasste.“ IEEE Spectrum, Bd. 42, nein. 11, S. 52-57, November 2005.
  • Van Dormael, Armand. „Der ‚französische‘ Transistor.“ doi:10.1109/MSPEC.2005.1526906.
  • Burgess, Mark P. D. (2008). „Halbleitergeschichte: Faraday bis Shockley.“