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Über einhundert Jahre lang wedelte der analoge Hund mit seinem digitalen Schwanz. Die Bestrebungen, unsere Sinne – Sehen, Hören und sogar, in gewissem Sinne, Tasten – zu erweitern, führten Ingenieure und Wissenschaftler auf die Suche nach besseren Komponenten für Telegraphen, Telefone, Radios und Radars. Nur durch einen glücklichen Zufall fand diese Suche den Weg zur Schaffung neuer Arten digitaler Maschinen. Und ich beschloss, die Geschichte dieser ständigen , in der Ingenieure der Elektrotechnik die Rohstoffe für die ersten digitalen Computer lieferten und manchmal sogar selbst diese Computer entwarfen und bauten.
Aber bis in die 1960er Jahre war diese fruchtbare Zusammenarbeit zu Ende, und damit auch meine Geschichte. Den Herstellern digitaler Geräte war es nicht mehr nötig, in die Welt des Telegraphen, des Telefons und des Radios zu blicken, um neue, verbesserte Schalter zu finden, denn der Transistor selbst bot eine unerschöpfliche Quelle für Verbesserungen. Jahr für Jahr gruben sie tiefer und tiefer und fanden immer neue Möglichkeiten, die Geschwindigkeit exponentiell zu steigern und die Kosten zu senken.
Doch das alles wäre nicht geschehen, wenn die Erfindung des Transistors bei .
Langsame Anfänge
In der populären Presse gab es keinen aktiven Enthusiasmus über die Ankündigung der Bell Labs zur Erfindung des Transistors. Am 1. Juli 1948 widmete die New York Times diesem Ereignis drei Absätze am Ende der Meldung "Radio News". Dabei erschien diese Nachricht nach anderen, die offensichtlich als wichtiger erachtet wurden: zum Beispiel einer Radiosendung über "Waltz Time", die auf NBC ausgestrahlt werden sollte. Rückblickend möchte man vielleicht schmunzeln oder sogar den unbekannten Autoren Vorwürfe machen – wie konnten sie ein weltveränderndes Ereignis nicht erkennen?
Ein Blick in die Vergangenheit verzerrt das Verständnis und verstärkt die Signale, deren Bedeutung uns bekannt ist, während sie damals im Lärm untergingen. Der Transistor von 1948 unterschied sich stark von den Transistoren der Computer, auf einem derer Sie diesen Artikel lesen (es sei denn, Sie haben beschlossen, ihn auszudrucken). So stark unterschieden sie sich, dass man sie trotz derselben Bezeichnung und einer durchgehenden Erbfolge als unterschiedliche Arten, wenn nicht gar als verschiedene Gattungen betrachten muss. Sie haben unterschiedliche Zusammensetzungen, Strukturen und Funktionsprinzipien, ganz zu schweigen von den riesigen Größenunterschieden. Nur dank ständiger erneuter Erfindungen konnte das unförmige Gerät, das von Bardeen und Brattain geschaffen wurde, die Welt und unser Leben transformieren.
Tatsächlich verdiente der Germanium-Transistor mit einem Kontaktpunkt nicht mehr Aufmerksamkeit, als er erhielt. Er hatte einige Mängel, die er von der Elektronenröhre geerbt hatte. Er war jedoch viel kleiner als die kompaktesten Röhren. Das Fehlen eines glühenden Drahts bedeutete, dass er weniger Wärme abgibt, weniger Energie verbraucht, nicht durchbrennt und keine Aufwärmzeit vor der Nutzung benötigt.
Allerdings führte die Ansammlung von Schmutz auf der Kontaktfläche zu Ausfällen und minderte das Potenzial für eine längere Lebensdauer; er erzeugte ein lauteres Signal; arbeitete nur bei niedrigen Leistungen und in einem engen Frequenzbereich; fiel bei Hitze, Kälte oder Feuchtigkeit aus; und ließ sich nicht gleichmäßig produzieren. Mehrere Transistoren, die auf die gleiche Weise von denselben Personen hergestellt wurden, hätten auffällig unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Und all das hatte einen Preis, der achtmal höher war als der einer Standardröhre.
Erst 1952 lösten die Bell Labs (und andere Patentinhaber) die Produktionsprobleme so weit, dass Transistoren mit einem Kontaktpunkt praktische Geräte wurden. Dennoch verbreiteten sie sich zunächst kaum über den Markt für Hörgeräte, wo die Preissensibilität relativ gering war und die Vorteile hinsichtlich der Akkulaufzeit die Nachteile überstiegen.
Doch bereits damals begannen die ersten Versuche, den Transistor in etwas Besseres und Nützlicheres zu verwandeln. Diese Versuche hatten tatsächlich viel früher begonnen, lange bevor die Öffentlichkeit von seiner Existenz erfuhr.
Shockleys Ambitionen
Bis Ende 1947 reiste Bill Shockley voller Aufregung nach Chicago. Er hatte vage Ideen, wie man den kürzlich von Bardeen und Brattain erfundenen Transistor übertreffen könnte, hatte jedoch bisher keine Möglichkeit, sie auszuarbeiten. Anstatt die Pause zwischen den Arbeitsphasen zu genießen, verbrachte er Weihnachten und Silvester in einem Hotel und füllte etwa 20 Seiten in seinem Notizbuch mit seinen Ideen. Darunter war der Vorschlag für einen neuen Transistor, der aus einem Halbleiter-Sandwich besteht – einem Stück p-Typ-Germanium zwischen zwei Stücken n-Typ.
Ermutigt durch einen solchen Trumpf im Ärmel, stellte Shockley Bardeen und Brattain bei deren Rückkehr nach Murray Hill Ansprüche auf die gesamte Ruhmesherrschaft für die Erfindung des Transistors. War es nicht seine Idee des Feldeffekts, die Bardeen und Brattain in das Labor brachte? Sollte ihm nicht daher das gesamte Patentrecht übertragen werden? Doch Shockleys List wendete sich gegen ihn: Die Patentanwälte von Bell Labs stellten fest, dass ein unbekannter Erfinder, , hat einen Halbleiterverstärker mit Feldeffekt fast 20 Jahre zuvor, im Jahr 1930, patentiert. Lilienfeld setzte seine Idee natürlich nie um, angesichts des damaligen Materialzustands, aber das Risiko einer Überschneidung war zu groß – es war besser, die Erwähnung des Feldeffekts im Patent vollständig zu vermeiden.
So schenkten die Bell Labs Shockley zwar einen großzügigen Anteil des Ruhmes als Erfinder, aber im Patent wurden nur Bardin und Bretten erwähnt. Doch was geschehen ist, ist geschehen: Shockleys Ambitionen zerstörten seine Beziehungen zu beiden Untergebenen. Bardin stellte die Arbeit am Transistor ein und konzentrierte sich auf Superleitfähigkeit. Er verließ die Labors im Jahr 1951. Bretten blieb dort, weigerte sich jedoch erneut, mit Shockley zu arbeiten, und bestand auf einer Versetzung in eine andere Gruppe.
Wegen seiner Unfähigkeit, mit anderen Menschen zusammenzuarbeiten, kam Shockley in den Labors nicht voran und verließ sie letztendlich. 1956 kehrte er nach Palo Alto zurück, um sein eigenes Transistorgeschäft, Shockley Semiconductor, zu gründen. Vor seiner Abreise ließ er seine Frau Jean zurück, während sie sich von Gebärmutterkrebs erholte, und begann eine Beziehung mit Emmy Lenning, die er bald heiratete. Doch von den beiden Teilen seines kalifornischen Traums – dem neuen Unternehmen und der neuen Frau – erfüllte sich nur einer. 1957 verließen ihn die besten Ingenieure, wütend über seinen Führungsstil und die Richtung, in die er die Firma führte, um eine neue Firma, Fairchild Semiconductor, zu gründen.
Shockley im Jahr 1956
Also ließ Shockley die leere Hülle seiner Firma hinter sich und trat in die Abteilung für Elektrotechnik an der Stanford University ein. Dort setzte er fort, seine Kollegen (und seinen ältesten Freund, den Physiker ) mit seinen Theorien über Rassenverfall und – Themen, die in den USA seit dem Ende des letzten Krieges, insbesondere in akademischen Kreisen, als unpopulär gelten. Er fand Freude daran, Debatten zu entfachen, die Medien aufzuheizen und Proteste auszulösen. Er starb 1989, entfremdet von seinen Kindern und Kollegen, besucht nur von seiner ewigen, ihm treuen zweiten Frau, Emmy.
Obwohl seine kläglichen Versuche im Unternehmertum scheiterten, säte Shockley den Grundstein in fruchtbarem Boden. Das San Francisco Bay Area brachte zahlreiche kleine Elektronikfirmen hervor, die während des Krieges von der Bundesregierung mit Finanzierungen unterstützt wurden. Fairchild Semiconductor, ein zufälliges Kind von Shockley, brachte dutzende neue Firmen hervor, von denen einige bis heute bekannt sind: Intel und Advanced Micro Devices (AMD). Bis zu den frühen 1970er Jahren hatte dieses Gebiet den spöttischen Spitznamen „Silicon Valley“ erhalten. Aber Moment mal – Bardin und Bretteins entwickelten den Germaniumtransistor. Woher kam der Silizium?
So sah im Jahr 2009 der verlassene Ort in Mountain View aus, an dem früher Shockley Semiconductor ansässig war. Heute ist das Gebäude abgerissen.
Zum Silizium-Kreuzung
Das Schicksal eines neuen Typs von Transistoren, den Shockley in einem Hotel in Chicago erfand, war weitaus erfreulicher als das seines Erfinders. Dies verdankt sich dem Streben eines Mannes, reine, einheitliche Halbleiterkristalle zu züchten. Gordon Teal, ein physikalischer Chemiker aus Texas, der in den 30er Jahren im Bereich des damals nutzlosen Germaniums für seine Doktorarbeit arbeitete, begann in den Bell Laboratories. Als er von dem Transistor erfuhr, war er überzeugt, dass dessen Zuverlässigkeit und Leistung erheblich verbessert werden könnten, wenn er aus reinem Monokristall statt aus den damals verwendeten polykristallinen Mischungen hergestellt würde. Shockley wies seine Versuche zurück und betrachtete sie als eine sinnlose Verschwendung von Ressourcen.
Trotz aller Widerstände gelang es Tille, mit Hilfe des Maschinenbauingenieurs John Little ein Gerät zu entwickeln, das einen winzigen Kristallkeim aus geschmolzenem Germanium zieht. Während der Abkühlung um den Keim herum erweiterte das Germanium dessen Kristallstruktur und schuf so ein durchgehendes, nahezu reines Halbleitergitter. Bis zum Frühling 1949 konnten Tille und Little Kristalle auf Bestellung herstellen, und Tests zeigten, dass diese ihre polycrystalinen Mitbewerber weit hinter sich ließen. Insbesondere konnten die hinzugefügten nicht grundlegenden Träger mehrere hundert Mikrosekunden oder sogar noch länger überleben (im Vergleich zu maximal zehn Mikrosekunden in anderen Kristallproben).
Jetzt konnte Til sich mehr Ressourcen leisten und stellte mehr Mitarbeiter ein, darunter einen weiteren Physikochemiker, Morgan Sparks, der aus Texas in die Bell Labs kam. Sie begannen, die Schmelze zur Herstellung von p- oder n-Typ Germanium zu ändern, indem sie passende Dotiermittel hinzufügten. Ein Jahr später hatten sie die Technologie so weit verbessert, dass sie einen n-p-n-Germaniumsandwich direkt in der Schmelze wachsen konnten. Und es funktionierte genau so, wie Shockley es vorhergesagt hatte: Das elektrische Signal des p-Typ-Materials modulierte den elektrischen Strom zwischen zwei Leitern, die mit den ihn umgebenden stückchen n-Typ verbunden waren.
Morgan Sparks und Gordon Til an der Werkbank in den Bell Labs
Dieser Transistor mit einem gewachsenen Übergang übertrifft seinen Vorgänger mit einem Punktkontakt in nahezu allen Aspekten. Insbesondere wurde er zuverlässiger und vorhersagbarer, erzeugte deutlich weniger Rauschen (und war somit empfindlicher) und war äußerst energieeffizient – er verbrauchte eine Million Mal weniger Energie als eine typische Elektronenröhre. Im Juli 1951 organisierten die Bell Laboratories eine weitere Pressekonferenz, um die neue Erfindung anzukündigen. Noch bevor der erste Transistor den Markt betreten konnte, wurde er im Grunde genommen bereits nebensächlich.
Und doch war das erst der Anfang. 1952 kündigte General Electric (GE) die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Transistoren mit Übergängen an, dem Schmelzverfahren. Dabei wurden zwei Indiumkügelchen (Donor p-Typ) von beiden Seiten einer dünnen Scheibe aus n-Typ Germanium geschmolzen. Dieses Verfahren war einfacher und kostengünstiger als das Wachsen von Übergängen und derartige Transistoren hatten einen geringeren Widerstand und unterstützten höhere Frequenzen.
Gewachsene und geschmolzene Transistoren
Im nächsten Jahr entschied sich Gordon Teel, in seinen Heimatstaat zurückzukehren und eine Stelle bei Texas Instruments (TI) in Dallas anzunehmen. Das Unternehmen wurde zunächst als Geophysical Services, Inc. gegründet und stellte zunächst Geräte zur Erkundung von Erdölvorkommen her. Während des Krieges eröffnete TI eine Abteilung für Elektronik und trat jetzt mit einer Lizenz von Western Electric (dem Produktionszweig der Bell Labs) in den Transistor-Markt ein.
Teel brachte neue Fähigkeiten mit, die er in den Laboren erlernt hatte: die Fähigkeit, zu züchten und Monokristalle aus Silizium. Die offensichtlichste Schwäche von Germanium war seine Empfindlichkeit gegenüber Temperatur. Bei Hitzeeinwirkung verloren die Atome im Kristall schnell ihre freien Elektronen, wodurch es immer mehr zu einem Leiter wurde. Bei Temperaturen von 77 °C hörte es vollständig auf, als Transistor zu funktionieren. Ein wesentliches Ziel des Verkaufs von Transistoren waren die Streitkräfte – ein potenzieller Kunde mit geringer Preisempfindlichkeit und einem enormen Bedarf an stabilen, zuverlässigen und kompakten elektronischen Komponenten. Allerdings wäre temperaturempfindliches Germanium in vielen Fällen militärischer Anwendungen, insbesondere im Bereich Raumfahrt, unbrauchbar gewesen.
Silizium war wesentlich stabiler, stellte jedoch hohe Anforderungen an den Schmelzpunkt, der mit dem von Stahl vergleichbar war. Das stellte eine große Herausforderung dar, da für die Herstellung hochwertiger Transistoren sehr reines Kristall benötigt wurde. Geschmolzenes Silizium würde Verunreinigungen aus jedem Tiegel aufnehmen, in dem es sich befand. Team Till von TI konnte diese Schwierigkeiten mit hochreinen Siliziumproben von DuPont überwinden. Im Mai 1954 demonstrierte Till auf einer Konferenz des Institute of Radio Engineers in Dayton, Ohio, dass die neuen Siliziumgeräte, die in seinem Labor hergestellt wurden, selbst in heißem Öl weiterhin funktionierten.
Erfolgreiche Aufsteiger
Etwa sieben Jahre nach der Erfindung des Transistors konnte er schließlich aus dem Material hergestellt werden, mit dem er zum Synonym wurde. Und es wird noch einmal so lange dauern, bis Transistoren in einer Form erscheinen, die grob den in unseren Mikroprozessoren und Chips verwendeten ähnelt.
Im Jahr 1955 erlernten Wissenschaftler der Bell Labs erfolgreich die Herstellung von Siliziumtransistoren mit einer neuen Legierungstechnologie – anstatt feste Partikel von Verunreinigungen in eine flüssige Schmelze zu geben, führten sie gasförmige Zusätze in die feste Oberfläche des Halbleiters ein (). Durch sorgfältige Kontrolle der Temperatur, des Drucks und der Dauer des Verfahrens erreichten sie exakt die erforderliche Tiefe und den Grad der Legierung. Eine stärkere Kontrolle über den Produktionsprozess führte zu einer verbesserten Kontrolle über die elektrischen Eigenschaften des Endprodukts. Was ebenfalls wichtig ist, die Thermodiffusion ermöglichte die Serienproduktion – es war möglich, eine große Siliziumplatte zu legieren und sie dann in Transistoren zu zerschneiden. Das Militär sicherte die Finanzierung der Bell Labs, da die Organisation der Produktion hohe Vorabkosten erforderte. Sie benötigten ein neues Produkt für die ultrahochfrequente Linie der frühen Radardetektion („«), in einer Kette von arktischen Radaranlagen, die zur Entdeckung sowjetischer Bomber gedacht waren, die vom Nordpol aus flogen, waren sie bereit, 100 $ pro Transistor auszugeben (es war eine Zeit, in der man ein neues Auto für 2000 $ kaufen konnte).
Legierung zusammen mit , die die Platzierung von Verunreinigungen steuerte, ermöglichte es, die gesamte Kontur auf einem Halbleitersubstrat in einem Schritt zu ätzen – dies wurde 1959 zeitgleich von Fairchild Semiconductor und Texas Instruments entwickelt. «» von Fairchild nutzte die chemische Abscheidung von Metallfilmen, die die elektrischen Kontakte des Transistors verbanden. Dadurch entfiel die Notwendigkeit, die Verdrahtung manuell zu erstellen, was die Produktionskosten senkte und die Zuverlässigkeit erhöhte.
Endlich verwirklichten 1960 zwei Ingenieure aus den Bell Labs (John Atalla und Devon Kahn) das ursprüngliche Konzept des Shockley-Feldeffekttransistors. Eine dünne Schicht aus Oxid auf der Oberfläche eines Halbleiters konnte effektiv Oberflächenzustände unterdrücken, sodass das elektrische Feld vom Aluminium-Gate in den Siliziumkristall eindringen konnte. So entstand der MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (oder MOF-Structure, von Metall-Oxid-Halbleiter), der sich so leicht miniaturisieren ließ und bis heute in fast allen modernen Computern verwendet wird (interessanterweise stammte Atalla aus Ägypten und Kahn aus Südkorea, und praktisch nur diese beiden Ingenieure haben in unserer gesamten Geschichte keine europäischen Wurzeln).
Endlich, dreizehn Jahre nach der Erfindung des ersten Transistors gab es etwas, das dem Transistor Ihres Computers ähnelt. Er war einfacher herzustellen, verbrauchte weniger Energie als der Planartransistor, reagierte jedoch vergleichsweise langsam auf Signale. Erst mit der Verbreitung von integrierten Schaltungen, die Hunderte oder Tausende von Bauteilen auf einem einzigen Chip vereinten, traten die Vorteile von Feldeffekttransistoren stärker in den Vordergrund.
Illustration aus dem Patent für einen Feldeffekttransistor
Der Feldeffekt war der letzte bedeutende Beitrag der Bell Labs zur Entwicklung des Transistors. Große Elektronikhersteller wie die Bell Labs (mit ihrem Western Electric), General Electric, Sylvania und Westinghouse haben beeindruckende Mengen an Forschung zu Halbleitern geleistet. Von 1952 bis 1965 haben die Bell Labs mehr als zweihundert Patente zu diesem Thema angemeldet. Dennoch hat der kommerzielle Markt schnell an neue Akteure wie Texas Instruments, Transitron und Fairchild übergeben.
Der frühe Markt für Transistoren war zu klein, um die Aufmerksamkeit großer Akteure auf sich zu ziehen: etwa 18 Millionen US-Dollar pro Jahr in den 1950er Jahren, verglichen mit einem Gesamtvolumen des Elektronikmarktes von 2 Milliarden US-Dollar. Dennoch dienten die Forschungslabore dieser Giganten unbeabsichtigt als Trainingslager, in denen junge Wissenschaftler Wissen über Halbleiter absorbieren konnten, um anschließend ihre Dienstleistungen an kleinere Unternehmen zu verkaufen. Als der Markt für Röhrenelektronik Mitte der 1960er Jahre ernsthaft schrumpfte, war es für die Bell-Labore, Westinghouse und andere bereits zu spät, um mit den Newcomern zu konkurrieren.
Übergang der Computer zu Transistoren
In den 1950er Jahren fanden Transistoren ihren Weg in die Elektronik und revolutionierten vier besonders wichtige Bereiche. Die ersten beiden waren Hörgeräte und tragbare Radios, bei denen der niedrige Energieverbrauch und damit die lange Batterielaufzeit andere Überlegungen überwogen. Der dritte Bereich war die militärische Anwendung. Die US-Armee setzte große Hoffnungen auf Transistoren als zuverlässige und kompakte Komponenten, die überall eingesetzt werden konnten – von Feldradios bis hin zu ballistischen Raketen. Anfangs glichen ihre Ausgaben für Transistoren eher einer Wette auf die Zukunft der Technologie als einem Beweis für ihren damaligen Wert. Schließlich kamen noch die digitalen Berechnungen hinzu.
Im Bereich der Computertechnik waren die Nachteile von Elektronenröhren-Schaltern gut bekannt. Einige Skeptiker hielten vor dem Krieg sogar die Entwicklung eines praktischen elektronischen Computers für unrealistisch. Wenn Tausende von Röhren in einem Gerät zusammengeführt wurden, verbrauchten sie enorme Mengen an Energie und erzeugten dabei viel Wärme. In Bezug auf die Zuverlässigkeit konnte man einzig und allein auf ihre regelmäßige Ausfallrate zählen. Daher wurde der transistorbasierte Schalter, der wenig Energie verbraucht, kühl bleibt und keine Heizdrähte hat, zum Retter der Computerhersteller. Seine Nachteile als Verstärker (z. B. ein rauschenderes Ausgangssignal) stellten kein großes Problem dar, wenn er als Schalter verwendet wurde. Das einzige Hindernis war der Preis, der zu gegebener Zeit erheblich fallen würde.
Alle frühen amerikanischen Experimente mit Transistorcomputern fanden an der Schnittstelle von militärischem Interesse an der Erforschung des Potenzials dieser vielversprechenden neuen Technologie und dem Wunsch der Ingenieure, auf verbesserte Schalter umzusteigen, statt.
Im Bell Laboratorium wurde 1954 der TRADIC für die US Air Force entwickelt, um zu testen, ob Transistoren die Möglichkeit bieten, einen digitalen Computer an Bord eines Bombers einzusetzen und damit die analoge Navigation sowie die Zielsuche zu ersetzen. Das Lincoln Laboratory des MIT entwickelte 1956 den Computer TX-0 im Rahmen eines umfassenden Luftverteidigungsprojekts. Die Maschine verwendete eine weitere Variante des Transistors, den Oberflächenbarrieretransistor, der sich gut für Hochgeschwindigkeitsberechnungen eignete. Philco baute 1958 seinen Computer SOLO im Auftrag der Marine (tatsächlich auf Anfrage der NSA) unter Verwendung einer weiteren Variante des Oberflächenbarrieretransistors.
In Westeuropa, das während des Kalten Krieges nicht über vergleichbare Ressourcen verfügte, war die Geschichte ganz anders. Maschinen wie der Manchester Transistor Computer, (ein weiteres, rückwärts geschriebenes, von ENIAC inspiriertes Projekt) und der österreichische waren Nebenprojekte, die Ressourcen verwendeten, die ihre Schöpfer zusammenkratzen konnten – einschließlich der ersten Generation von Transistoren mit einem Punktkontakt.
Es gibt viele Diskussionen über den Titel des ersten Computers, der Transistoren verwendete. Letztendlich hängt alles von der Wahl der richtigen Definitionen für Begriffe wie "erster", "transistorbasiert" und "Computer" ab. In jedem Fall ist bekannt, wo die Geschichte endet. Die Kommerzialisierung von Transistor-Computern begann fast sofort. Jahr für Jahr wurden Computer zu denselben Preisen leistungsstärker, während Computer mit vergleichbarer Leistung immer günstiger wurden. Dieser Prozess schien so unaufhaltsam, dass er zu einer Art Gesetz erhoben wurde, gleich neben der Schwerkraft und dem Energieerhaltungssatz. Müssen wir darüber streiten, welcher Stein der erste in diesem Abbruch war?
Woher stammt das Moore'sche Gesetz?
Wenn wir uns dem Ende der Geschichte des Schalters nähern, lohnt es sich, die Frage zu stellen: Was hat zu diesem Abbruch geführt? Warum existiert (oder existierte – darüber können wir später diskutieren) das Moore'sche Gesetz? Für Flugzeuge oder Staubsauger gibt es kein Moore'sches Gesetz, so wie es keins für Elektronenröhren oder Relais gibt.
Die Antwort besteht aus zwei Teilen:
- Die logischen Eigenschaften des Schalters als Kategorie von Artefakten.
- Die Möglichkeit, rein chemische Prozesse zur Herstellung von Transistoren zu nutzen.
Zunächst zur Funktionsweise eines Schalters. Die Eigenschaften der meisten Artefakte müssen ein breites Spektrum an unveränderlichen physikalischen Grenzen erfüllen. Ein Passagierflugzeug muss das Gesamtgewicht vieler Personen tragen können. Ein Staubsauger muss in der Lage sein, eine bestimmte Menge Schmutz in einer bestimmten Zeit von einer bestimmten Fläche aufzusaugen. Flugzeuge und Staubsauger wären nutzlos, wenn man sie auf Nanoskalen reduziert.
Bei einem Schalter, genauer gesagt einem automatischen Schalter, der niemals von menschlicher Hand berührt wurde, gibt es jedoch erheblich weniger physikalische Einschränkungen. Er muss zwei verschiedene Zustände haben und in der Lage sein, anderen ähnlichen Schaltern Änderungen ihres Zustands mitzuteilen. Das heißt, alles, was er können muss, ist ein- und auszuschalten. Was ist also so besonders an Transistoren? Warum haben andere Arten digitaler Schalter nicht solche exponentiellen Verbesserungen erlebt?
Hier kommen wir zu einem zweiten Punkt. Transistoren können durch chemische Prozesse ohne mechanische Eingriffe hergestellt werden. Von Anfang an war die Verwendung chemischer Verunreinigungen ein Schlüsselelement in der Transistorproduktion. Dann wurde der planar Prozess eingeführt, der den letzten mechanischen Schritt im Herstellungsprozess - das Anbringen von Drähten - beseitigte. Dadurch wurde die letzte physikalische Grenze für die Miniaturisierung aufgehoben. Transistoren mussten nicht mehr groß genug sein, um von menschlichen Fingern oder mechanischen Geräten gehandhabt zu werden. Alles wurde durch einfache Chemie auf unglaublich kleinem Maßstab erledigt: Säure zum Ätzen, Licht zur Steuerung, welche Teile der Oberfläche dem Ätzen widerstehen, und Dämpfe zum Einbringen von Verunreinigungen und metallischen Schichten auf den geätzten Leiterbahnen.
Warum ist Miniaturisierung überhaupt notwendig? Die Verringerung der Größe brachte eine ganze Reihe angenehmer Nebeneffekte mit sich: erhöhte Schaltgeschwindigkeit, verringerter Energieverbrauch und niedrigere Kosten pro Einheit. Diese starken Anreize motivierten alle, Wege zur weiteren Verkleinerung von Schaltern zu finden. Im Laufe eines Lebens hat die Halbleiterindustrie von der Herstellung von Schaltern in Fingernagelgröße bis zur Packung von Zehntausenden Millionen Schaltern pro Quadratmillimeter einen gewaltigen Sprung gemacht. Der Preis stieg von acht Dollar pro Schalter auf das Angebot von zwanzig Millionen Schaltern für einen Dollar.
Der Intel 1103 Speicherchip von 1971. Einzelne Transistoren, die nur wenige Mikrometer groß sind, sind mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar. Und seitdem sind sie um das Tausendfache geschrumpft.
Weitere Lektüre:
- Ernest Bruan und Stuart MacDonald, Revolution in Miniatur (1978)
- Michael Riordan und Lillian Hoddeson, Kristallfeuer (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Quelle: habr.com
