Wie der erste Transistor funktionierte

Selbst seine Erfinder haben den Punktkontakttransistor nicht vollständig verstanden

Ein Werbefoto von AT&T aus dem Jahr 1955 zeigt [in der Handfläche, von links] einen Fototransistor, einen Sperrschichttransistor und einen Punktkontakttransistor.

Die Vakuumröhrentriode Es war noch keine 20 Jahre alt, als die Physiker begannen, einen Nachfolger zu entwickeln, und es stand viel auf dem Spiel. Die Triode ermöglichte nicht nur Ferngespräche und Filmton, sondern trieb auch das gesamte Unternehmen des kommerziellen Radios voran, eine Branche, die 1929 mehr als eine Milliarde Dollar wert war. Doch Vakuumröhren waren stromhungrig und anfällig. Wenn eine robustere, zuverlässigere und effizientere Alternative zur Triode gefunden werden könnte, wären die Vorteile immens.

Das Ziel war ein dreipoliges Gerät aus Halbleitern, das ein Schwachstromsignal in einen Eingangsanschluss einspeisen und damit den Fluss eines größeren Stroms zwischen zwei anderen Anschlüssen steuern und so das ursprüngliche Signal verstärken würde. Das zugrunde liegende Prinzip eines solchen Geräts wäre der sogenannte Feldeffekt – die Fähigkeit elektrischer Felder, die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien zu modulieren. Der Feldeffekt war damals dank Dioden und der damit verbundenen Halbleiterforschung bereits allgemein bekannt.

Dieser Artikel ist Teil unseres Sonderberichts zum 75. Jahrestag der Erfindung des Transistors.

Doch der Bau eines solchen Geräts stellte für einige der weltbesten Physiker mehr als zwei Jahrzehnte lang eine unüberwindbare Herausforderung dar. Patente für Transistor-ähnliche Geräte wurden bereits 1925 angemeldet, aber das erste dokumentierte Beispiel eines funktionierenden Transistors war das legendäre Punktkontaktgerät, das im Herbst 1947 in den AT&T Bell Telephone Laboratories gebaut wurde.

Obwohl der Punktkontakttransistor die wichtigste Erfindung des 20. Jahrhunderts war, gibt es überraschenderweise keinen klaren, vollständigen und verbindlichen Bericht darüber, wie das Ding tatsächlich funktionierte. Moderne, robustere Sperrschicht- und Planartransistoren basieren auf der Physik in der Masse eines Halbleiters und nicht auf den Oberflächeneffekten, die beim ersten Transistor ausgenutzt wurden. Und dieser wissenschaftlichen Lücke wurde bisher relativ wenig Aufmerksamkeit geschenkt.

Auf dem Ausschnittfoto eines Punktkontakts sind zwei dünne Leiter sichtbar; Diese verbinden sich mit den Punkten, die mit einer winzigen Germaniumplatte in Kontakt kommen. Einer dieser Punkte ist der Emitter und der andere ist der Kollektor. Ein dritter Kontakt, die Basis, ist auf der Rückseite des Germaniums angebracht. AT&T ARCHIVES AND HISTORY CENTER

Es handelte sich um eine unförmig aussehende Ansammlung aus Germanium, Kunststoff und Goldfolie, an deren Spitze sich eine geschwungene Feder befand. Seine Erfinder waren ein leise sprechender Theoretiker aus dem Mittleren Westen, John Bardeen, und ein redseliger und „etwas flüchtiger“ Experimentator, Walter Brattain. Beide arbeiteten unter William Shockley, eine Beziehung, die sich später als umstritten erweisen sollte. Im November 1947 scheiterten Bardeen und Brattain an einem einfachen Problem. In dem von ihnen verwendeten Germanium-Halbleiter schien eine Oberflächenschicht aus Elektronen ein angelegtes elektrisches Feld zu blockieren und es so daran zu hindern, in den Halbleiter einzudringen und den Stromfluss zu modulieren. Keine Modulation, keine Signalverstärkung.

Irgendwann Ende 1947 fanden sie eine Lösung. Es bestand aus zwei Stücken kaum getrennter Goldfolie, die von dieser geschwungenen Feder sanft in die Oberfläche einer kleinen Germaniumplatte gedrückt wurden.

Sowohl Lehrbücher als auch populäre Darstellungen neigen dazu, den Mechanismus des Punktkontakttransistors zu ignorieren und stattdessen die Funktionsweise seiner neueren Nachkommen zu erklären. Tatsächlich erwähnt die aktuelle Ausgabe der Bibel der Studenten-EEs, „The Art of Electronics“ von Horowitz und Hill, den Punktkontakttransistor überhaupt nicht und beschönigt seine Existenz mit der fälschlichen Aussage, dass der Sperrschichttransistor ein „Nobelpreis-Transistor“ sei. Gewinnererfindung im Jahr 1947. Aber der 1947 erfundene Transistor war der Punktkontakt; Der Sperrschichttransistor wurde 1948 von Shockley erfunden.

Daher scheint es irgendwie angemessen, dass die umfassendste Erklärung des Punktkontakttransistors in John Bardeens Vortrag für den Nobelpreis von 1956 enthalten ist. Dennoch vermittelt die Lektüre den Eindruck, dass ein paar feine Details wahrscheinlich sogar den Erfindern selbst entgangen sind . „Viele Menschen waren vom Punktkontakttransistor verwirrt“, sagt Thomas Misa, ehemaliger Direktor des Charles Babbage Institute for the History of Science and Technology an der University of Minnesota.

Sowohl Lehrbücher als auch populäre Darstellungen neigen dazu, den Mechanismus des Punktkontakttransistors zu ignorieren und stattdessen die Funktionsweise seiner neueren Nachkommen zu erklären.

Ein Jahr nach Bardeens Vorlesung schrieb RD Middlebrook, Professor für Elektrotechnik am Caltech, der später Pionierarbeit in der Leistungselektronik leistete: „Aufgrund der dreidimensionalen Beschaffenheit des Geräts ist die theoretische Analyse schwierig und die interne Funktionsweise schwierig.“ ist tatsächlich noch nicht vollständig verstanden.

Dennoch und mit dem Vorteil von 75 Jahren Halbleitertheorie geht es los. Der Punktkontakttransistor wurde um eine daumengroße Platte aus Germanium vom n-Typ herum aufgebaut, die einen Überschuss an negativ geladenen Elektronen aufweist. Diese Platte wurde behandelt, um eine sehr dünne Oberflächenschicht vom p-Typ zu erzeugen, was bedeutet, dass sie einen Überschuss an positiven Ladungen aufwies. Diese positiven Ladungen werden als Löcher bezeichnet. Dabei handelt es sich tatsächlich um einen lokalisierten Mangel an Elektronen, die sich zwischen den Atomen des Halbleiters bewegen, ganz ähnlich wie es ein echtes Teilchen tun würde. An der Unterseite dieser Platte wurde eine elektrisch geerdete Elektrode angebracht, die die Basis des Transistors bildete. Die beiden Goldfolienstreifen, die die Oberfläche berührten, bildeten zwei weitere Elektroden, den sogenannten Emitter und den Kollektor.

Das ist das Setup. Im Betrieb wird eine kleine positive Spannung – nur ein Bruchteil eines Volt – an den Emitter angelegt, während eine viel größere negative Spannung – 4 bis 40 Volt – an den Kollektor angelegt wird, alles bezogen auf die geerdete Basis. Die Grenzfläche zwischen der p-Typ-Schicht und der n-Typ-Platte erzeugte einen Übergang, genau wie man ihn in einer Diode findet: Im Wesentlichen ist der Übergang eine Barriere, die den Stromfluss nur in eine Richtung, in Richtung niedrigerer Spannung, ermöglicht. Somit könnte Strom vom positiven Emitter über die Barriere fließen, während kein Strom über diese Barriere in den Kollektor fließen könnte.

Der Western Electric Typ-2-Punktkontakttransistor war der erste Transistor, der 1951 in großen Mengen im Western Electric-Werk in Allentown, Pennsylvania, hergestellt wurde. Als dieses Foto 1960 aufgenommen wurde, hatte das Werk auf die Produktion von Sperrschichttransistoren umgestellt .AT&T ARCHIV UND GESCHICHTSZENTRUM

Schauen wir uns nun an, was unten zwischen den Atomen passiert. Zuerst trennen wir den Kollektor und sehen, was ohne ihn um den Emitter herum passiert. Der Emitter injiziert positive Ladungen – Löcher – in die p-Typ-Schicht und sie beginnen, sich in Richtung Basis zu bewegen. Aber sie machen sich nicht auf den Weg dorthin. Die dünne Schicht zwingt sie dazu, sich über eine gewisse Distanz seitlich auszubreiten, bevor sie durch die Barriere in die n-Typ-Platte gelangen. Denken Sie darüber nach, eine kleine Menge feines Pulver langsam auf die Wasseroberfläche zu gießen. Das Pulver sinkt zwar ab, breitet sich aber zunächst in einem groben Kreis aus.

Jetzt schließen wir den Kollektor an. Obwohl es selbst keinen Strom durch die Barriere des pn-Übergangs ziehen kann, führen seine große negative Spannung und seine spitze Form zu einem konzentrierten elektrischen Feld, das das Germanium durchdringt. Da sich der Kollektor so nahe am Emitter befindet und außerdem negativ geladen ist, beginnt er, viele der Löcher aufzusaugen, die sich vom Emitter ausbreiten. Dieser Ladungsfluss führt zu einer Konzentration von Löchern in der Nähe der pn-Barriere unterhalb des Kollektors. Diese Konzentration verringert effektiv die „Höhe“ der Barriere, die sonst den Stromfluss zwischen Kollektor und Basis verhindern würde. Wenn die Barriere abgesenkt wird, beginnt Strom von der Basis in den Kollektor zu fließen – viel mehr Strom als der Emitter in den Transistor leitet.

Die Stromstärke hängt von der Höhe der Barriere ab. Kleine Abnahmen oder Erhöhungen der Emitterspannung führen dazu, dass die Barriere nach oben bzw. nach unten schwankt. Somit steuern sehr kleine Änderungen im Emitterstrom sehr große Änderungen am Kollektor, also voilà! Verstärkung. (EEs werden feststellen, dass die Funktionen von Basis und Emitter im Vergleich zu denen in späteren Transistoren umgekehrt sind, bei denen die Basis und nicht der Emitter die Reaktion des Transistors steuert.)

So unbeholfen und zerbrechlich es auch war, es war ein Halbleiterverstärker, und seine Nachkommen würden die Welt verändern. Und seine Erfinder wussten es. Der schicksalhafte Tag war der 16. Dezember 1947, als Brattain auf die Idee kam, ein Plastikdreieck zu verwenden, das von einem Streifen Goldfolie umgeben ist und dessen winziger Schlitz die Emitter- und Kollektorkontakte trennt. Diese Konfiguration sorgte für eine zuverlässige Leistungssteigerung, und das Duo wusste, dass es ihnen gelungen war. In seiner Fahrgemeinschaft erzählte Brattain an diesem Abend seinen Begleitern, dass er gerade „das wichtigste Experiment gemacht hatte, das ich jemals in meinem Leben machen würde“ und verpflichtete sie zur Verschwiegenheit. Auch der wortkarge Bardeen konnte es sich nicht verkneifen, die Neuigkeit mitzuteilen. Als seine Frau Jane an diesem Abend das Abendessen zubereitete, sagte er angeblich einfach: „Wir haben heute etwas entdeckt.“ Während ihre Kinder durch die Küche huschten, antwortete sie: „Das ist schön, Liebes.“

Letztendlich war es ein Transistor, aber er war ziemlich wackelig. Später kamen die Erfinder auf die Idee, den Kollektor elektrisch zu formen, indem sie während der Herstellung des Transistors große Ströme durch ihn fließen ließen. Diese Technik ermöglichte es ihnen, etwas größere Stromflüsse zu erzielen, die nicht so eng auf die Oberflächenschicht beschränkt waren. Die elektrische Umformung war allerdings ein bisschen Glückssache. „Die, die nicht funktionierten, haben sie einfach weggeworfen“, bemerkt Misa.

Dennoch gingen Punktkontakttransistoren bei vielen Unternehmen in Produktion, unter Lizenz von AT&T und 1951 bei AT&Ts eigenem Produktionszweig, Western Electric. Sie wurden unter anderem in Hörgeräten, Oszillatoren, Telefon-Routing-Geräten, in einem experimentellen Fernsehempfänger, der bei RCA gebaut wurde, und im Tradic, dem ersten fliegenden Digitalcomputer, verwendet. Tatsächlich blieben Punktkontakttransistoren bis 1966 in Produktion, teilweise aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit im Vergleich zu den Alternativen.

Der schicksalhafte Tag war der 16. Dezember 1947, als Brattain auf die Idee kam, ein Plastikdreieck zu verwenden, das mit einem Streifen Goldfolie umwickelt war …

Die Bell Labs-Gruppe war mit ihrem erfolgreichen Streben nach einem Transistor nicht allein. In Aulnay-sous-Bois, einem Vorort nordöstlich von Paris, versuchten zwei deutsche Physiker, Herbert Mataré und Heinrich Welker, ebenfalls einen Halbleiterverstärker mit drei Anschlüssen zu bauen. Sie arbeiteten für eine französische Tochtergesellschaft von Westinghouse und verfolgten sehr interessante Beobachtungen, die Mataré 1944 bei der Entwicklung von Germanium- und Silizium-Gleichrichtern für das deutsche Militär gemacht hatte. Im Juni 1948 gelang es den beiden, einen zuverlässigen Punktkontakttransistor zu entwickeln.

Sie waren verblüfft, als Bell Labs etwa eine Woche später auf einer Pressekonferenz am 30. Juni 1948 endlich die Nachricht von einem eigenen Transistor enthüllte. Obwohl sie völlig unabhängig und im Geheimen entwickelt wurden, waren die beiden Geräte mehr oder weniger identisch .

Hier nimmt die Geschichte des Transistors eine seltsame Wendung, atemberaubend in ihrer Brillanz und auch verstörend in ihren Details. Der Chef von Bardeen und Brattain, William Shockley, war wütend darüber, dass sein Name nicht mit dem Namen von Bardeen und Brattain in der ursprünglichen Patentanmeldung für den Transistor aufgeführt war. Er war davon überzeugt, dass Bardeen und Brattain lediglich seine Theorien über die Verwendung von Feldern in Halbleitern in ihr funktionierendes Gerät umgesetzt und ihm nicht ausreichend Anerkennung gezollt hatten. Doch 1945 hatte Shockley einen Transistor gebaut, der auf genau diesen Theorien basierte, und er hatte nicht funktioniert.

Im Jahr 1953 leitete der RCA-Ingenieur Gerald Herzog ein Team, das den ersten „Volltransistor“-Fernseher entwarf und baute (obwohl er tatsächlich über eine Kathodenstrahlröhre verfügte). Das Team verwendete Punktkontakttransistoren, die von RCA unter einer Lizenz von Bell Labs hergestellt wurden. TRANSISTOR MUSEUM JERRY HERZOG MÜNDLICHE GESCHICHTE

Ende Dezember, kaum zwei Wochen nach dem ersten Erfolg des Punktkontakttransistors, reiste Shockley zur Jahrestagung der American Physical Society nach Chicago. An Silvester begann er, versteckt in seinem Hotelzimmer und angetrieben von einer starken Mischung aus Eifersucht und Empörung, mit der Entwicklung eines eigenen Transistors. In drei Tagen kritzelte er etwa 30 Seiten Notizen. Ende des Monats hatte er den Grundentwurf für den sogenannten Bipolar-Junction-Transistor (BJT), der schließlich den Punktkontakttransistor ablösen und bis Ende der 1970er Jahre als dominierender Transistor gelten sollte.

Mit den Erkenntnissen aus der Arbeit der Bell Labs begann RCA 1948 mit der Entwicklung eigener Punktkontakttransistoren. Die Gruppe umfasste die sieben hier gezeigten – vier davon wurden in RCAs experimentellem Fernsehgerät mit 22 Transistoren aus dem Jahr 1953 verwendet. Diese vier waren es das TA153 [obere Reihe, zweite von links], das TA165 [oben, ganz rechts], das TA156 [untere Reihe, Mitte] und das TA172 [unten, rechts]. TRANSISTOR MUSEUM JONATHAN HOPPE SAMMLUNG

Das BJT basierte auf Shockleys Überzeugung, dass Ladungen durch die Masse der Halbleiter fließen könnten und sollten und nicht durch eine dünne Schicht auf ihrer Oberfläche. Das Gerät bestand wie ein Sandwich aus drei Halbleiterschichten: einem Emitter, einer Basis in der Mitte und einem Kollektor. Sie waren abwechselnd dotiert, sodass es zwei Versionen gab: n-Typ/p-Typ/n-Typ, genannt „NPN“, und p-Typ/n-Typ/p-Typ, genannt „PNP“.

Der BJT basiert im Wesentlichen auf den gleichen Prinzipien wie der Punktkontakt, verwendet jedoch zwei pn-Übergänge anstelle eines. Beim Einsatz als Verstärker lässt eine an die Basis angelegte positive Spannung einen kleinen Strom zwischen ihr und dem Emitter fließen, der wiederum einen großen Strom zwischen Kollektor und Emitter steuert.

Betrachten Sie ein NPN-Gerät. Die Basis ist vom p-Typ und weist daher überschüssige Löcher auf. Da es jedoch sehr dünn und leicht dotiert ist, gibt es relativ wenige Löcher. Ein winziger Teil der einströmenden Elektronen verbindet sich mit diesen Löchern und wird aus dem Kreislauf entfernt, während die überwiegende Mehrheit (mehr als 97 Prozent) der Elektronen weiterhin durch die dünne Basis und in den Kollektor fließt und so einen starken Stromfluss aufbaut.

Aber die wenigen Elektronen, die sich mit Löchern verbinden, müssen von der Basis abgeleitet werden, um die p-Typ-Natur der Basis und den starken Stromfluss durch sie aufrechtzuerhalten. Diese Entfernung der „eingefangenen“ Elektronen wird durch einen relativ geringen Stromfluss durch die Basis erreicht. Dieses Stromrinnseln ermöglicht einen viel stärkeren Stromfluss in den Kollektor und dann aus dem Kollektor heraus und in den Kollektorkreis. Tatsächlich steuert also der kleine Basisstrom den größeren Kollektorkreis.

Elektrische Felder spielen eine Rolle, aber sie modulieren nicht den Stromfluss, was die frühen Theoretiker für notwendig hielten, damit ein solches Gerät funktioniert. Hier ist das Wesentliche: Beide pn-Übergänge in einem BJT sind von Verarmungsbereichen umgeben, in denen sich Elektronen und Löcher vereinen und es relativ wenige mobile Ladungsträger gibt. Die an den Verbindungsstellen angelegte Spannung erzeugt an jeder Stelle ein elektrisches Feld, das Ladungen durch diese Bereiche schiebt. Diese Felder ermöglichen den Elektronenfluss vom Emitter über die Basis bis zum Kollektor.

Im BJT „beeinflussen die angelegten elektrischen Felder die Trägerdichte, aber da dieser Effekt exponentiell ist, reicht es aus, um viel Diffusionsstrom zu erzeugen“, erklärt Ioannis „John“ Kymissis, Vorsitzender der Abteilung für Elektrotechnik an der Columbia University.

Bei den allerersten Transistoren handelte es sich um einen Transistortyp, der als Punktkontakt bekannt war, da er auf Metallkontakten beruhte, die die Oberfläche eines Halbleiters berührten. Sie erhöhten den Ausgangsstrom – im oberen Diagramm mit „Kollektorstrom“ gekennzeichnet –, indem sie eine angelegte Spannung verwendeten, um eine Barriere für den Ladungsfluss zu überwinden. Kleine Änderungen am Eingangs- oder „Emitter“-Strom modulieren diese Barriere und steuern so den Ausgangsstrom.

Der bipolare Sperrschichttransistor erreicht die Verstärkung nach nahezu den gleichen Prinzipien, jedoch mit zwei Halbleiterschnittstellen oder Übergängen anstelle einer. Wie beim Punktkontakttransistor überwindet eine angelegte Spannung eine Barriere und ermöglicht einen Stromfluss, der durch einen kleineren Eingangsstrom moduliert wird. Insbesondere die Halbleiterübergänge sind von Verarmungsgebieten durchzogen, über die die Ladungsträger unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes diffundieren.Chris Philpot

Der BJT war robuster und zuverlässiger als der Punktkontakttransistor, und diese Eigenschaften machten ihn zu etwas Großem. Aber es dauerte eine Weile, bis das klar wurde. Der BJT war die Technologie zur Herstellung integrierter Schaltkreise, von den ersten in den frühen 1960er Jahren bis in die späten 1970er Jahre, als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) die Oberhand gewannen. Tatsächlich waren es diese Feldeffekttransistoren, zuerst der Sperrschicht-Feldeffekttransistor und dann die MOSFETs, die schließlich den jahrzehntelangen Traum eines Halbleiterbauelements mit drei Anschlüssen verwirklichten, dessen Funktionsweise auf dem Feldeffekt beruhte – Shockleys ursprüngliches Ziel.

Eine so glorreiche Zukunft konnte man sich in den frühen 1950er Jahren kaum vorstellen, als AT&T und andere darum kämpften, praktische und effiziente Wege zur Herstellung der neuen BJTs zu finden. Shockley selbst brachte das Silizium buchstäblich ins Silicon Valley. Er zog nach Palo Alto und gründete 1956 ein Unternehmen, das den Wechsel von Germanium zu Silizium als elektronischem Halbleiter der Wahl voranbrachte. Mitarbeiter seines Unternehmens gründeten anschließend Fairchild Semiconductor und dann Intel.

Später in seinem Leben, nachdem er seine Firma aufgrund seines schrecklichen Managements verloren hatte, wurde er Professor an der Stanford University und begann, unbegründete und aus den Fugen geratene Theorien über Rasse, Genetik und Intelligenz zu verbreiten. 1951 verließ Bardeen die Bell Labs, um Professor an der University of Illinois in Urbana-Champaign zu werden, wo er für eine Theorie der Supraleitung einen zweiten Nobelpreis für Physik erhielt. (Er ist der einzige, der zwei Nobelpreise für Physik gewonnen hat.) Brattain blieb bis 1967 an den Bell Labs, als er an die Fakultät des Whitman College in Walla Walla, Washington, wechselte.

Shockley starb 1989 als weitgehend freundloser Paria. Doch sein Transistor sollte die Welt verändern, obwohl noch 1953 noch nicht klar war, dass der BJT die Zukunft sein würde. In einem Interview in diesem Jahr sinnierte Donald G. Fink, der ein Jahrzehnt später beim Aufbau des IEEE mithelfen sollte: „Ist es ein pickeliger Heranwachsender, jetzt unbeholfen, aber vielversprechend für die Zukunft? Oder ist es zur Reife gelangt, voller.“ Trägheit, umgeben von Enttäuschungen?“

Es war Ersteres, und unser aller Leben ist dadurch umso besser.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom Dezember 2022 unter dem Titel „Der erste Transistor und wie er funktionierte“.

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