Transistor

Elektronik

Transistor

  • Wie ist ein Transistor aufgebaut?
  • Können Transistoren Strom verstärken?
  • Warum sind Transistoren heute so wichtig?
  • Wo und wie werden Transistoren überall eingesetzt?

Die Erfindung des Transistors

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden die Elektronenröhren entwickelt, die entscheidend dazu beitrugen, dass die Nachrichtentechnik den technologischen Durchbruch schaffte. Die Dominanz der Vakuumröhre hielt etwa bis 1957 an, obwohl mit ihrem Einsatz eine Reihe von Nachteilen verbunden sind. Zum Einen waren die Röhren empfindlich gegenüber Stößen und auch ihre Lebensdauer betrug nur mehrere Jahre. Zum Anderen waren die Röhren relativ voluminös. Selbst die kleinsten Röhren hatten ein Volumen von mehreren Kubikzentimetern und benötigten mehr als 1 Watt elektrische Leistung für die Heizung der Kathode. Gerade bei Geräten in denen mehrere Röhren auf engem Raum eingesetzt werden mussten, gab es ein beachtliche Wärmeentwicklung, welche die Lebensdauer der Röhren zusätzlich verkürzte.

R. Sexl schreibt: "Sind zur Steuerung von Signalleistungen im Mikrowattbereich wirklich Elektronenröhren mit einer Betriebsleistung von etwa 1 Watt erforderlich? Eine ähnliche Relation von Aufwand und Nutzen ergäbe sich, wenn man ein Kilogramm irgendeines Materials mit einem Eisenbahnzug transportieren würde, der mehr als 50 Waggons umfasst. So unwirtschaftlich arbeitet die Elektronenröhre, wenn es auf Informationsverarbeitung (Computer) und nicht auf hohe Ausgangsleistung (Senderöhren) ankommt.

Hinweise

  • Der erste Computer (Z3) von Konrad Zuse (1941) war ausschließlich aus 2600 Relais aufgebaut.
  • Einer der ersten Großrechner "ENIAC" in den USA arbeitete im Jahr 1946 mit 14468 Elektronenröhren.

Aufgrund der vielen Nachteile der Vakuumröhre suchten die Physiker intensiv nach einem Ersatz-Bauelement, das ähnlich wie die Röhre Steuerungs- und Verstärkerfunktionen übernehmen konnte. Sehr bald konzentrierte sich das Interesse der Forscher auf Halbleitermaterialien wie Germanium, Silizium und Selen (Metalle und Isolatoren schieden aus, da ihr Leitverhalten von außen nicht wesentlich beeinflusst werden konnte).

Ein großer Schritt in der Entwicklung auf den Transistor hin war die sogenannte Spitzendiode des deutschen Physikers Walter Schottky (1939). Eine feine Metalldrahtspitze wurde in ein n-leitendes Germaniumplättchen gesteckt. Um den Draht bildete sich eine p-leitende Zone, so dass insgesamt eine p-n-Schicht vorlag. Diese Schottky-Diode ersetzte in den damals üblichen Radioempfängern den unzuverlässigen Detektor, welcher der Gleichrichtung der eingehenden Radiosignale diente.

Um die gleiche Zeit als Schottky seine Spitzendiode entwickelte, arbeitete William Shokley in den Bell Laboratorien (USA) an einer elektronischen Schalteinheit, welche die elektromechanischen Schalter in den Telefonzentralen ersetzen sollte. Auch er wandte sich den Halbleitermaterialien zu. Nach dem Krieg wurde bei Bell ein leistungsfähiges Team aus Ingenieuren, Chemikern und Physikern zur Entwicklung des gewünschten Halbleiterverstärkers gebildet. Die Führung übernahmen die Physiker Shockley, Bardeen und Brattain.

erster Spitzentransistor

Im Jahre 1947 gelang der entscheidende Durchbruch mit der Entwicklung des sogenannten Spitzentransistors

Zwei metallische Spitzen mit dem minimalen Abstand 5/100 mm sollten nach einem Vorschlag von Bardeen auf eine n-leitende Germaniumplatte aufgesetzt werden. Da der kleine Drahtabstand schwer zu realisieren war, löste Brattain das Problem indem er eine Goldfolie um einen dreieckigen Isolator spannte und diese Folie mit einer Rasierklinge an der unteren Ecke des Isolators durchtrennte. Mit einer Feder wurde diese Konstruktion auf die Germaniumplatte gedrückt.

Ähnlich wie bei der Spitzendiode entsteht um die Drahtspitzen eine p-Zone, so dass insgesamt eine pnp-Transistor entstanden ist. Das n-leitende Germanium stellt die Basis des Transistors dar.

Die Wissenschaftler bauten nun das neue Verstärkerelement anstelle von Röhren in einen Radio ein und führten das Produkt der Firmenleitung vor. Nach dem Einschalten des Geräts musste man nicht mehr eine gewisse Zeit warten, bis die Röhren betriebsbereit waren, vielmehr kam beim "Transistorradio" der Ton sofort nach dem Einschalten. Die Vorführung war so überzeugend, dass die Entwicklung des Transistors mit Hochdruck vorangetrieben wurde.

erster Junction-Transistor

Im Frühling 1948 stellte Shockley den sogenannten Junction-Transistor (Grenzflächen-Transistor) vor. Sein Aufbau war nicht so filigran wie der des Spitzentransistors, so dass der zuverlässigere Flächentransistor seinen Vorgänger sehr schnell ablöste. Shockley beschrieb den neuen Typ als "Sandwich-Transistor" der aus drei Schichten besteht: die beiden äußeren Schichten sollten n-leitend und die mittlere Schicht p-leitend sein.

Für ihre Leistungen bekamen Shockley, Bardeen und Brattain im Jahre 1956 den Nobelpreis für Physik.

  • In der folgenden Zeit wurden zahlreiche weitere Transistortypen entwickelt. Man löste sich vom Germanium als Grundsubstanz und ging zum Silizium über, das gegenüber dem Germanium mehrere Vorteile bot (z.B. leichte Oxidierbarkeit, schärfere Knickspannung usw.).
  • Die Miniaturisierung machte große Forschritte (vgl. nebenstehende Abbildung).
  • Die Leistungen, die mit dem Transistor geschaltet bzw. verstärkt werden konnten, stiegen enorm an.
  • Von etwa 1962 an überflügelten die Transistoren die Röhren zum ersten Mal. Heute werden Vakuum-Verstärkerröhren nur noch für Sonderzwecke eingesetzt.

Um möglichst kleine und zuverlässige Schaltungen aufbauen zu können, war es fast zwangsläufig, dass man einzelne Bauelemente nicht mehr mit Drähten sondern mit Leiterbahnen verband, die z.B. aus kupferkaschiertem Pertinax geätzt wurden.

Schließlich ging man - auf Vorschlag Jack Kilbys (1958) - dazu über nicht mehr einzelne Transistoren herzustellen, sondern auf einem Festkörperplättchen alle für eine Schaltung notwendigen Bauteile (Dioden, Transistoren, Widerstände usw.) zu integrieren. Solche Anordnungen heißen dann Integrated Circuits, kurz IC. Seit 1960 hat man etwa alle 1,5 Jahre die Zahl der Transistoren pro Flächeneinheit verdoppelt. Inzwischen kann man mehrere Millionen Transistoren auf einer Fläche von 10mm x 10mm unterbringen. Man stößt jedoch an Grenzen, wenn die Basisschichtdicke nur noch einige Atomlagen dünn sein wird.

Das unscheinbare Bauelement "Transistor" hat der Technikentwicklung im letzten Jahrhundert eine ungeahnte Entwicklung beschert. Die enormen Fortschritte z. B. in der Raumfahrt oder der Computertechnologie wären ohne die Erfindung des Transistors nicht denkbar gewesen.

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