Halbleiterbauelement

Cat’s-whisker detectorEdit

Halbleiter wurden in der Elektronik schon einige Zeit vor der Erfindung des Transistors eingesetzt. Um die Wende zum 20. Jahrhundert waren sie als Detektoren in Radios weit verbreitet und wurden in einem von Jagadish Chandra Bose und anderen entwickelten Gerät namens „Cat’s Whisker“ verwendet. Diese Detektoren waren jedoch etwas mühsam, da der Bediener einen kleinen Wolframfaden (den Whisker) über die Oberfläche eines Bleisulfid- oder Karborundkristalls bewegen musste, bis dieser plötzlich zu arbeiten begann. Dann, über einen Zeitraum von einigen Stunden oder Tagen, hörte der Katzenschnurrbart langsam auf zu arbeiten, und der Vorgang musste wiederholt werden. Zu dieser Zeit war ihre Funktionsweise völlig rätselhaft. Nach der Einführung der zuverlässigeren und verstärkten Radios mit Vakuumröhren verschwanden die Katzenschnurrhaarsysteme schnell. Der „Katzenschnurrbart“ ist ein primitives Beispiel für eine spezielle Art von Diode, die auch heute noch beliebt ist, die Schottky-Diode.

MetallgleichrichterBearbeiten

Ein weiterer früher Typ von Halbleiterbauelementen ist der Metallgleichrichter, bei dem der Halbleiter aus Kupferoxid oder Selen besteht. Westinghouse Electric (1886) war ein bedeutender Hersteller dieser Gleichrichter.

Zweiter WeltkriegBearbeiten

Während des Zweiten Weltkriegs führte die Radarforschung schnell dazu, dass Radarempfänger mit immer höheren Frequenzen arbeiten mussten und die traditionellen röhrenbasierten Radioempfänger nicht mehr gut funktionierten. Die Einführung des Hohlraummagnetrons aus Großbritannien in den Vereinigten Staaten im Jahr 1940 während der Tizard-Mission führte zu einem dringenden Bedarf an einem praktischen Hochfrequenzverstärker.

Aus einer Laune heraus beschloss Russell Ohl von den Bell Laboratories, einen Katzenschnurrbart zu testen. Zu diesem Zeitpunkt waren sie schon seit einigen Jahren nicht mehr in Gebrauch, und niemand in den Labors hatte einen. Nachdem er einen in einem Laden für gebrauchte Radios in Manhattan aufgestöbert hatte, stellte er fest, dass er viel besser funktionierte als röhrenbasierte Systeme.

Ohl untersuchte, warum der Katzenschnurrbart so gut funktionierte. Die meiste Zeit des Jahres 1939 verbrachte er damit, reinere Versionen der Kristalle zu züchten. Schon bald stellte er fest, dass mit höherwertigen Kristallen zwar ihr heikles Verhalten verschwand, aber auch ihre Fähigkeit, als Radiodetektor zu funktionieren. Eines Tages fand er einen seiner reinsten Kristalle, der dennoch gut funktionierte und in der Mitte einen deutlich sichtbaren Riss hatte. Als er sich jedoch im Raum bewegte, um ihn zu testen, funktionierte der Detektor auf mysteriöse Weise, um dann wieder zu stoppen. Nach einigen Untersuchungen stellte er fest, dass dieses Verhalten durch das Licht im Raum gesteuert wurde – mehr Licht führte zu einer höheren Leitfähigkeit des Kristalls. Er lud mehrere andere Personen ein, sich diesen Kristall anzusehen, und Walter Brattain erkannte sofort, dass sich an dem Riss eine Art Verbindung befand.

Weitere Untersuchungen klärten das letzte Rätsel auf. Der Kristall war gesprungen, weil beide Seiten sehr unterschiedliche Mengen der Verunreinigungen enthielten, die Ohl nicht entfernen konnte – etwa 0,2 %. Die eine Seite des Kristalls enthielt Verunreinigungen, die zusätzliche Elektronen (die Träger des elektrischen Stroms) hinzufügten und ihn zu einem „Leiter“ machten. Die andere Seite wies Verunreinigungen auf, die sich mit diesen Elektronen verbinden wollten, was sie zu einem „Isolator“ machte (wie er es nannte). Da die beiden Teile des Kristalls miteinander in Kontakt standen, konnten die Elektronen aus der leitenden Seite, die zusätzliche Elektronen enthielt (bald als „Emitter“ bezeichnet), herausgedrückt und durch neue Elektronen ersetzt werden, die (z. B. von einer Batterie) geliefert wurden, wo sie in den isolierenden Teil flossen und vom Whisker-Faden (als „Kollektor“ bezeichnet) aufgefangen wurden. Wenn jedoch die Spannung umgekehrt wird, füllen die in den Kollektor gestoßenen Elektronen schnell die „Löcher“ (die elektronenbedürftigen Verunreinigungen) auf, und die Leitung wird fast augenblicklich unterbrochen. Durch diese Verbindung der beiden Kristalle (oder Teile eines Kristalls) entstand eine Festkörperdiode, und das Konzept wurde bald als Halbleitung bekannt. Der Wirkungsmechanismus im ausgeschalteten Zustand der Diode hat mit der Trennung der Ladungsträger um den Übergang herum zu tun. Dies wird als „Verarmungszone“ bezeichnet.

Entwicklung der DiodeEdit

Mit dem Wissen um die Funktionsweise dieser neuen Dioden begannen energische Anstrengungen, um zu lernen, wie man sie nach Bedarf bauen kann. Teams der Purdue University, der Bell Labs, des MIT und der University of Chicago schlossen sich zusammen, um bessere Kristalle herzustellen. Innerhalb eines Jahres war die Germaniumproduktion so weit perfektioniert, dass Dioden in Militärqualität in den meisten Radargeräten verwendet wurden.

Entwicklung des TransistorsBearbeiten

Nach dem Krieg beschloss William Shockley, den Bau eines triodenartigen Halbleiterbauelements zu versuchen. Er sicherte sich die Finanzierung und einen Laborplatz und machte sich zusammen mit Brattain und John Bardeen an die Arbeit.

Der Schlüssel zur Entwicklung des Transistors war das weitere Verständnis des Prozesses der Elektronenmobilität in einem Halbleiter. Man erkannte, dass man einen Verstärker bauen könnte, wenn es eine Möglichkeit gäbe, den Fluss der Elektronen vom Emitter zum Kollektor dieser neu entdeckten Diode zu steuern. Werden beispielsweise Kontakte auf beiden Seiten eines Einkristalls angebracht, so fließt kein Strom zwischen ihnen durch den Kristall. Wenn jedoch ein dritter Kontakt Elektronen oder Löcher in das Material „injizieren“ könnte, würde Strom fließen.

In der Praxis erwies sich dies als sehr schwierig. Wenn der Kristall eine vernünftige Größe hätte, müsste die Anzahl der Elektronen (oder Löcher), die injiziert werden müssten, sehr groß sein, was ihn als Verstärker weniger nützlich machen würde, da er zu Beginn einen großen Injektionsstrom benötigen würde. Der Grundgedanke der Kristalldiode bestand darin, dass der Kristall selbst die Elektronen über eine sehr kleine Distanz, die Verarmungszone, bereitstellen konnte. Der Schlüssel schien darin zu liegen, die Eingangs- und Ausgangskontakte auf der Oberfläche des Kristalls auf beiden Seiten dieses Bereichs sehr nahe beieinander zu platzieren.

Brattain begann mit dem Bau eines solchen Geräts, und während das Team an dem Problem arbeitete, gab es immer wieder verlockende Hinweise auf eine Verstärkung. Manchmal funktionierte das System, aber dann brach es unerwartet ab. In einem Fall begann ein nicht funktionierendes System zu funktionieren, wenn es in Wasser gelegt wurde. Ohl und Brattain entwickelten schließlich einen neuen Zweig der Quantenmechanik, der als Oberflächenphysik bekannt wurde, um dieses Verhalten zu erklären. Die Elektronen in einem beliebigen Teil des Kristalls würden aufgrund von Ladungen in der Nähe wandern. Die Elektronen in den Emittern oder die „Löcher“ in den Kollektoren würden sich an der Oberfläche des Kristalls anhäufen, wo sie ihre entgegengesetzte Ladung in der Luft (oder im Wasser) „herumschweben“ lassen könnten. Sie könnten jedoch mit einer geringen Ladungsmenge von einer beliebigen anderen Stelle des Kristalls von der Oberfläche weggeschoben werden. Anstatt eine große Menge an injizierten Elektronen zu benötigen, würde eine sehr geringe Anzahl an der richtigen Stelle des Kristalls das Gleiche bewirken.

Mit ihrem Verständnis wurde das Problem, dass ein sehr kleiner Kontrollbereich erforderlich ist, bis zu einem gewissen Grad gelöst. Anstatt zwei getrennte Halbleiter zu benötigen, die durch einen gemeinsamen, aber winzigen Bereich verbunden sind, würde eine einzige größere Fläche ausreichen. Die elektronenemittierenden und -sammelnden Leitungen würden beide sehr nahe beieinander auf der Oberseite des Kristalls platziert werden, während die Steuerleitung an der Basis des Kristalls angebracht wäre. Wenn Strom durch diese „Basis“-Leitung fließt, werden die Elektronen oder Löcher über den Halbleiterblock hinausgeschoben und sammeln sich auf der entfernten Oberfläche. Solange Emitter und Kollektor sehr nahe beieinander liegen, sollten sich genügend Elektronen oder Löcher zwischen ihnen befinden, um eine Leitung zu ermöglichen.

Der erste TransistorBearbeiten

Eine stilisierte Nachbildung des ersten Transistors

Das Bell-Team unternahm viele Versuche, ein solches System mit verschiedenen Werkzeugen zu bauen, scheiterte aber im Allgemeinen. Aufbauten, bei denen die Kontakte nahe genug beieinander lagen, waren immer so zerbrechlich wie die ursprünglichen Katzenschnurrbart-Detektoren und funktionierten, wenn überhaupt, nur kurz. Schließlich gelang ihnen ein praktischer Durchbruch. Ein Stück Goldfolie wurde auf die Kante eines Kunststoffkeils geklebt, und dann wurde die Folie mit einem Rasiermesser an der Spitze des Dreiecks aufgeschnitten. Das Ergebnis waren zwei sehr eng beieinander liegende Goldkontakte. Wenn man den Keil auf die Oberfläche eines Kristalls drückte und auf der anderen Seite (an der Basis des Kristalls) eine Spannung anlegte, begann Strom von einem Kontakt zum anderen zu fließen, da die Basisspannung die Elektronen von der Basis zur anderen Seite in der Nähe der Kontakte schob. Der Punktkontakttransistor war erfunden.

Während das Gerät eine Woche zuvor konstruiert wurde, beschreiben Brattains Notizen die erste Demonstration vor höheren Stellen in den Bell Labs am Nachmittag des 23. Dezember 1947, was oft als Geburtsdatum des Transistors angegeben wird. Der heute als „p-n-p-Punktkontakt-Germaniumtransistor“ bekannte Transistor funktionierte bei diesem Versuch als Sprachverstärker mit einer Leistungsverstärkung von 18. John Bardeen, Walter Houser Brattain und William Bradford Shockley erhielten 1956 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit.

Ursprung des Begriffs „Transistor „Bearbeiten

Bell Telephone Laboratories brauchten einen allgemeinen Namen für ihre neue Erfindung: „Semiconductor Triode“, „Solid Triode“, „Surface States Triode“, „Crystal Triode“ und „Iotatron“ wurden in Betracht gezogen, aber „Transistor“, geprägt von John R. Pierce, gewann eine interne Abstimmung. Die Gründe für den Namen sind in dem folgenden Auszug aus den technischen Memoranden des Unternehmens (28. Mai 1948) beschrieben, in denen zur Abstimmung aufgerufen wurde:

Transistor. Dies ist eine abgekürzte Kombination aus den Wörtern „Transconductance“ oder „Transfer“ und „Varistor“. Das Bauelement gehört logischerweise zur Familie der Varistoren und hat die Transkonduktanz oder Transferimpedanz eines Bauelements mit Verstärkung, so dass diese Kombination beschreibend ist.

Verbesserungen im TransistordesignEdit

Shockley war verärgert darüber, dass das Bauelement Brattain und Bardeen zugeschrieben wurde, die es seiner Meinung nach „hinter seinem Rücken“ gebaut hatten, um den Ruhm zu ernten. Die Situation verschlimmerte sich noch, als die Anwälte der Bell Labs feststellten, dass einige von Shockleys eigenen Schriften über den Transistor denen eines früheren Patents von Julius Edgar Lilienfeld aus dem Jahr 1925 so ähnlich waren, dass sie es für das Beste hielten, seinen Namen aus der Patentanmeldung zu streichen.

Shockley war wütend und beschloss, zu beweisen, wer der wahre Kopf der Operation war. Einige Monate später erfand er einen völlig neuen, wesentlich robusteren Transistortyp mit einer Schicht- oder „Sandwich“-Struktur. Diese Struktur wurde bis in die 1960er Jahre für die überwiegende Mehrheit aller Transistoren verwendet und entwickelte sich zum Bipolartransistor.

Nachdem die Zerbrechlichkeitsprobleme gelöst waren, blieb das Problem der Reinheit. Die Herstellung von Germanium in der erforderlichen Reinheit erwies sich als ernsthaftes Problem und schränkte die Ausbeute an Transistoren ein, die aus einer bestimmten Charge des Materials tatsächlich funktionierten. Auch die Temperaturempfindlichkeit von Germanium schränkte seinen Nutzen ein. Wissenschaftler stellten Theorien auf, dass Silizium einfacher herzustellen sei, aber nur wenige untersuchten diese Möglichkeit. Gordon K. Teal war der erste, der einen funktionierenden Siliziumtransistor entwickelte, und sein Unternehmen, die im Entstehen begriffene Texas Instruments, profitierte von diesem technologischen Vorsprung. Ab den späten 1960er Jahren waren die meisten Transistoren auf Siliziumbasis. Innerhalb weniger Jahre kamen Produkte auf Transistorbasis auf den Markt, vor allem leicht tragbare Radios.

Der statische Induktionstransistor, der erste Hochfrequenztransistor, wurde 1950 von den japanischen Ingenieuren Jun-ichi Nishizawa und Y. Watanabe erfunden. Er war bis in die 1980er Jahre der schnellste Transistor.

Eine wesentliche Verbesserung der Produktionsausbeute ergab sich, als ein Chemiker den Unternehmen, die Halbleiter herstellten, riet, destilliertes Wasser statt Leitungswasser zu verwenden: Die im Leitungswasser enthaltenen Kalziumionen waren die Ursache für die schlechte Ausbeute. Das „Zonenschmelzen“, eine Technik, bei der sich ein Band aus geschmolzenem Material durch den Kristall bewegt, erhöhte die Reinheit der Kristalle weiter.

Metall-Oxid-Halbleiter (MOS)Bearbeiten

In den 1950er Jahren untersuchte Mohamed Atalla die Oberflächeneigenschaften von Silizium-Halbleitern in den Bell Labs, wo er eine neue Methode zur Herstellung von Halbleiterbauelementen vorschlug: Er beschichtete einen Silizium-Wafer mit einer isolierenden Schicht aus Siliziumoxid, so dass Elektrizität zuverlässig in das darunter liegende leitende Silizium eindringen konnte und die Oberflächenzustände überwunden wurden, die verhinderten, dass Elektrizität die Halbleiterschicht erreichte. Diese Methode wurde für die Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung, da sie die Massenproduktion von integrierten Siliziumschaltungen (ICs) ermöglichte. Aufbauend auf seiner Methode der Oberflächenpassivierung entwickelte er das Metalloxid-Halbleiter-Verfahren (MOS), das seiner Meinung nach zum Bau des ersten funktionierenden Silizium-Feldeffekttransistors (FET) verwendet werden kann. Dies führte zur Erfindung des MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) durch Mohamed Atalla und Dawon Kahng im Jahr 1959. Aufgrund seiner Skalierbarkeit, seines wesentlich geringeren Stromverbrauchs und seiner höheren Dichte als bei Bipolartransistoren wurde der MOSFET zum gebräuchlichsten Transistortyp in der Computer-, Elektronik- und Kommunikationstechnologie, z. B. in Smartphones. Das US-Patent- und Markenamt bezeichnet den MOSFET als eine „bahnbrechende Erfindung, die das Leben und die Kultur auf der ganzen Welt verändert hat“.

CMOS (komplementärer MOS) wurde 1963 von Chih-Tang Sah und Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor erfunden. Der erste Bericht über einen Floating-Gate-MOSFET stammt von Dawon Kahng und Simon Sze aus dem Jahr 1967. Der FinFET (Fin Field Effect Transistor), eine Art 3D-Multi-Gate-MOSFET, wurde 1989 von Digh Hisamoto und seinem Forscherteam im Hitachi Central Research Laboratory entwickelt.