Geschichte des Transistors, Teil 2: aus dem Schmelztiegel des Krieges

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Der Krieg hat den Boden für die Entwicklung des Transistors bereitet. Von 1939 bis 1945 wuchsen die technischen Kenntnisse im Bereich der Halbleiter enorm. Der Grund dafür war einfach: Radar. Die wichtigste Technologie des Krieges, zu den Anwendungsbeispielen gehören: Erkennung von Luftangriffen, Suche nach U-Booten, Leitung nächtlicher Luftangriffe auf Ziele, Steuerung von Luftverteidigungsmitteln und Marinegeschützen. Ingenieure lernten sogar, winzige Radargeräte in Artilleriegeschosse einzubauen, damit diese beim Vorbeiflug an einem Ziel explodierten – Funkzünder. Doch die Quelle dieser neuen mächtigen Militärtechnologie kam aus einem friedlicheren Bereich: der Erforschung der oberen Atmosphärenschichten zu wissenschaftlichen Zwecken.

Radar

Im Jahr 1901 übermittelte die „Marconi Wireless Telegraph Company“ erfolgreich eine drahtlose Nachricht über den Atlantik, von Cornwall nach Neufundland. Diese Tatsache versetzte die moderne Wissenschaft in Erstaunen. Wenn Funksendungen sich geradlinig bewegen (wie es sein sollte), wäre eine solche Übertragung unmöglich. Zwischen England und Kanada gibt es keine Sichtlinie, die nicht die Erdoberfläche kreuzt, daher hätte die Nachricht von Marconi ins All entsendet werden müssen. Der amerikanische Ingenieur Arthur Kennelly und der britische Physiker Oliver Heaviside schlugen unabhängig voneinander vor, dass die Erklärung für dieses Phänomen mit einer Schicht ionisierten Gases in den oberen Atmosphärenschichten zusammenhängt, die in der Lage ist, Radiowellen zurück zur Erde zu reflektieren (Marconi selbst glaubte, dass Radiowellen der Krümmung der Erdoberfläche folgen, aber die Physiker unterstützten ihn nicht).

In den 1920er Jahren entwickelten Wissenschaftler neue Geräte, die es zunächst ermöglichten, die Existenz der Ionosphäre zu beweisen und anschließend ihre Struktur zu untersuchen. Sie verwendeten Elektronenröhren, um kurzwellige Radiosignale zu erzeugen, gerichtete Antennen, um diese in die Atmosphäre zu senden, und registrierten das Echo, sowie elektronenstrahlgeräte zur Demonstration der Ergebnisse. Je länger die Zeit verzögert ist, bis das Echo zurückkommt, desto weiter muss die Ionosphäre entfernt sein. Diese Technologie wurde atmosphärische Erkundung genannt und stellte die grundlegende technische Infrastruktur für die Entwicklung des Radars bereit (der Begriff „Radar“, von RAdio Detection And Ranging, tauchte erst in den 1940er Jahren in der US Navy auf).

Es war nur eine Frage der Zeit, dass Menschen mit dem nötigen Wissen, den Ressourcen und der Motivation das Potenzial der terrestrischen Anwendung dieser Technologie erkannten (somit ist die Geschichte des Radars das Gegenteil der Geschichte des Teleskops, das ursprünglich für den terrestrischen Einsatz konzipiert wurde). Die Wahrscheinlichkeit eines solchen Aha-Erlebnisses nahm zu, während das Radio zunehmend auf dem Planeten verbreitet wurde und immer mehr Menschen die Störungen bemerkten, die von nahegelegenen Schiffen, Flugzeugen und anderen großen Objekten ausgingen. Kenntnisse über die Technologie zur Erforschung der oberen Atmosphärenschichten verbreiteten sich während des zweiten Internationalen Polarjahres (1932-1933), als Wissenschaftler von verschiedenen arktischen Stationen eine Karte der Ionosphäre erstellten. Kurz darauf entwickelten Teams aus Großbritannien, den USA, Deutschland, Italien, der UdSSR und anderen Ländern ihre einfachsten Radarsysteme.

Robert Watson-Watt mit seinem Radar von 1935

Dann brach der Krieg aus, und die Bedeutung von Radarsystemen für die Länder – und die Ressourcen für deren Entwicklung – stiegen dramatisch an. In den USA konzentrierten sich diese Ressourcen um eine neue Organisation, die 1940 am MIT gegründet wurde und bekannt ist als Rad Lab (diese wurde absichtlich so benannt, um ausländische Spione in die Irre zu führen und den Eindruck zu erwecken, dass in dem Labor Radioaktivität erforscht wurde – zu der Zeit glaubten nur wenige Menschen an Atombomben). Das Projekt Rad Lab, das nicht so berühmt wurde wie das Manhattan-Projekt, hatte dennoch ebenso herausragende und talentierte Physiker aus den gesamten USA in seinen Reihen. Fünf der ersten Mitarbeiter des Labors (einschließlich Luis Alvarez und Isidor Isaac Rabi) erhielten später den Nobelpreis. Bis zum Ende des Krieges arbeiteten etwa 500 Doktoren der Wissenschaften, Wissenschaftler und Ingenieure im Labor, insgesamt waren 4000 Personen beschäftigt. Eine halbe Million Dollar – was dem gesamten Budget für die Schaffung von ENIAC entspricht – wurde ausschließlich für die Veröffentlichung der "Radiation Laboratory Series", einer Sammlung von siebenundzwanzig Bänden, ausgegeben, die all das Wissen dokumentierte, das im Labor während des Krieges gesammelt wurde (wobei die Ausgaben der US-Regierung für Radartechnologie nicht auf das Budget des Rad Labs beschränkt waren; während des Krieges kaufte die Regierung Radarsysteme im Wert von drei Milliarden Dollar).

Gebäude 20 am MIT, in dem sich das Rad Lab befand

Einer der Hauptforschungsbereiche des Rad Lab war der Hochfrequenzradar. Frühe Radarsysteme verwendeten Wellen mit Längen, die in Metern gemessen wurden. Aber Strahlen höherer Frequenzen, deren Wellenlängen in Zentimetern gemessen wurden – Mikrowellen – ermöglichten den Einsatz kompakterer Antennen und weniger Streuung über große Entfernungen, was große Vorteile in Reichweite und Genauigkeit versprach. Mikrowellenradare konnten im Rumpf eines Flugzeugs untergebracht werden und Objekte in der Größe eines Periskops eines U-Bootes erfassen.

Das britische Physikerteam der Universität Birmingham gelang es als erstes, dieses Problem zu lösen. 1940 entwickelten sie „Resonanzmagnetron“, das wie eine elektromagnetische „Pfeife“ funktionierte, die einen chaotischen elektrischen Impuls in einen leistungsstarken und präzise abgestimmten Mikrowellenstrahl umwandelte. Dieser Mikrowellen-Sender war tausendmal leistungsstärker als der nächstbeste Konkurrent; er ebnete den Weg für die Entwicklung praktischer Hochfrequenzradarsender. Allerdings benötigte er einen Partner, einen Empfänger, der in der Lage war, die hohen Frequenzen zu erfassen. Und an dieser Stelle kehren wir zur Geschichte der Halbleiter zurück.

Schnitt eines Magnetrons

Das zweite Kommen des Katzenohrs

Es stellte sich heraus, dass Elektronenröhren überhaupt nicht für den Empfang von Mikrowellensignalen von Radaren geeignet waren. Der Abstand zwischen dem heißen Kathoden und der kalten Anode erzeugt eine Kapazität, weshalb der Schaltkreis bei hohen Frequenzen nicht arbeitet. Die beste Technologie für Hochfrequenzradare war die altmodische „Katzenohr“ – ein kleiner Drahtabschnitt, der an einem Halbleiterkristall angedrückt wurde. Dies entdeckten mehrere Personen unabhängig voneinander, doch am nächsten zu unserer Geschichte ist, was in New Jersey geschah.

Im Jahr 1938 schlossen die Bell-Labors einen Vertrag mit der Marine über die Entwicklung eines Radar-Feuerleitsystems im 40-cm-Bereich – das war wesentlich kürzer und somit frequenztechnisch höher als die damals existierenden Radare aus der Zeit vor den Resonanzmagnetronen. Die Hauptforschungsarbeiten wurden der Abteilung in Holmdel, südlich von Staten Island, zugewiesen. Die Forscher benötigten nicht lange, um zu erkennen, was sie für einen Hochfrequenz-Empfänger benötigen würden, und bald durchsuchte Ingenieur George Southworth die Elektronikgeschäfte in Manhattan auf der Suche nach alten "Cat's Whisker"-Detektoren. Wie erwartet funktionierte er viel besser als der Glühbirnen-Detektor, jedoch instabil. Daher suchte Southworth einen Elektrochemiker namens Russell All und bat ihn, zu versuchen, die Homogenität der Reaktion des Kristalldetektors mit einem Kontaktpunkt zu verbessern.

All war eine recht eigenwillige Person, die die Entwicklung der Technologie als ihre Bestimmung ansah und von periodischen Eingebungen mit Visionen der Zukunft erzählte. Er behauptete beispielsweise, dass er bereits 1939 von der zukünftigen Erfindung des Siliziumverstärkers wusste, ihm jedoch das Schicksal vorschrieb, dass jemand anderes ihn erfinden sollte. Nachdem er Dutzende von Optionen geprüft hatte, entschloss er sich, Silizium als das beste Material für Southworths Empfänger zu wählen. Das Problem war, das Material so zu kontrollieren, dass man seine elektrischen Eigenschaften beeinflussen konnte. Zu jener Zeit waren industrielle Silizium-Ingots weit verbreitet, die in Stahlwerken verwendet wurden, jedoch kümmerte sich in derartigen Produktionen niemand um den Gehalt von beispielsweise 1 % Phosphor im Silizium. Mit Hilfe von ein paar Metallurgen nahm sich All vor, viel reinere Ingots zu erhalten als zuvor möglich.

Im Verlauf ihrer Arbeit entdeckten sie, dass einige ihrer Kristalle den Strom in eine Richtung leiteten, während andere ihn in die entgegengesetzte Richtung leiteten. Sie nannten sie "n-Typ" und "p-Typ". Eine weitere Analyse ergab, dass unterschiedliche Arten von Verunreinigungen für diese Typen verantwortlich waren. Silizium steht in der vierten Spalte des Periodensystems, was bedeutet, dass es vier Elektronen in der äußeren Schale hat. In einem Block aus reinem Silizium würde jedes dieser Elektronen mit einem Nachbarn kooperieren. Verunreinigungen aus der dritten Spalte, wie beispielsweise Bor, das ein Elektron weniger hat, erzeugten ein "Loch", zusätzlichen Raum für den Stromfluss im Kristall. Daraus resultierte ein p-Typ-Halbleiter (mit einem Überschuss an positiven Ladungen). Elemente aus der fünften Spalte, wie Phosphor, sorgten für zusätzliche freie Elektronen, die den Strom transportieren, und es entstand ein n-Typ-Halbleiter.

Kristallstruktur von Silizium

Allerdings waren all diese Forschungen sehr interessant, doch bis 1940 waren Southworth und Ol nicht in der Lage, einen funktionierenden Prototyp eines Hochfrequenzradars zu erstellen. Die britische Regierung verlangte in dieser Zeit dringend praktische Ergebnisse aufgrund der Bedrohung durch die Luftwaffe, die bereits einsatzbereite Mikrowellendetektoren entwickelt hatte, die in Verbindung mit Magnetron-Transmittern funktionierten.

Bald jedoch neigte sich das Gleichgewicht der technischen Errungenschaften auf die westliche Seite des Atlantiks. Churchill beschloss, alle technischen Geheimnisse Großbritanniens den Amerikanern zu offenbaren, noch bevor er wirklich in den Krieg trat (da er annahm, dass dies sowieso geschehen würde). Er glaubte, dass es das Risiko eines Informationslecks wert war, da alle industriellen Möglichkeiten der USA dann auf die Lösung solcher Herausforderungen wie Atomwaffen und Radarsysteme konzentriert werden würden. Die britische wissenschaftlich-technische Mission (besser bekannt als Tizard-Mission) traf im September 1940 in Washington ein und brachte im Gepäck ein Geschenk in Form technischer Wunder mit.

Die Enthüllung der unglaublichen Leistungsfähigkeit des Resonanzmagnetrons und die Effizienz britischer kristalliner Detektoren zur Abnahme seines Signals belebte die Forschung der Amerikaner im Bereich der Halbleiter als Basis für Hochfrequenzradare. Es stand viel Arbeit bevor, insbesondere im Bereich der Materialwissenschaften. Um die Anforderungen zu erfüllen, mussten Halbleiterkristalle "in Millionen produziert werden, erheblich mehr als zuvor möglich. Es war notwendig, das Gleichrichten zu verbessern, die Empfindlichkeit gegenüber Stößen und die Wahrscheinlichkeit des Durchbrennens zu verringern und die Unterschiede zwischen verschiedenen Chargen von Kristallen zu minimieren."

Silizium-Gleichrichter mit Punktkontakt

Im Rad Lab wurden neue Forschungsabteilungen eröffnet, um die Eigenschaften von Halbleiterkristallen zu untersuchen und wie diese verändert werden können, um ihre wertvollen Eigenschaften als Empfänger zu maximieren. Die vielversprechendsten Materialien waren Silizium und Germanium, weshalb im Rad Lab entschieden wurde, auf Nummer sicher zu gehen und parallele Programme zur Untersuchung beider Stoffe zu starten: Silizium an der Universität von Pennsylvania und Germanium an der Purdue-Universität. Solche Industrietiere wie Bell, Westinghouse, Du Pont und Sylvania starteten eigene Forschungsprogramme für Halbleiter und begannen mit der Entwicklung neuer Produktionskapazitäten für kristalline Detektoren.

Durch gemeinsame Anstrengungen gelang es, die Reinheit der Silizium- und Germaniumkristalle von 99 % zu Beginn auf 99,999 % zu erhöhen – das heißt, auf ein Verunreinigungspartikel pro 100.000 Atome. In diesem Prozess machten die Wissenschaftler und Ingenieure tiefere Bekanntschaft mit den abstrakten Eigenschaften von Germanium und Silizium und den angewandten Technologien zu deren Kontrolle: Schmelzen, Kristallwachstum, Zugabe benötigter Verunreinigungen (wie Bor, das die Leitfähigkeit erhöhte).

Dann endete der Krieg. Die Nachfrage nach Radaren verschwand, aber das Wissen und die Fähigkeiten, die während des Krieges erworben wurden, gingen nicht verloren, und der Traum von einem Festkörperverstärker wurde nicht vergessen. Jetzt ging es darum, einen solchen Verstärker zu entwickeln. Und mindestens drei Teams waren in einer günstigen Position, um diesen Preis zu gewinnen.

West Lafayette

Die erste Gruppe war von der Purdue-Universität unter der Leitung des Physikers österreichischer Herkunft Carl Lark-Horowitz. Mit seinem Talent und Einfluss brachte er die Physikabteilung der Universität aus der Vergessenheit zurück und beeinflusste die Entscheidung des Rad Lab, seiner Labore zur Erforschung von Germanium zu beauftragen.

Carl Lark-Horowitz im Jahr 1947, in der Mitte, mit Pfeife

Anfang der 1940er Jahre galt Silizium als das beste Material für Radargleichrichter, doch das in der Periodischen Tabelle direkt darunter liegende Material schien ebenfalls eine weitere Untersuchung wert zu sein. Germanium hatte den praktischen Vorteil eines niedrigeren Schmelzpunktes von etwa 940 Grad im Vergleich zu 1400 Grad bei Silizium (fast wie bei Stahl). Aufgrund der hohen Schmelztemperatur war es äußerst schwierig, einen Blank zu erzeugen, die nicht in das geschmolzene Silizium lief und es verunreinigte.

Daher forschte Lark-Horowitz mit seinen Kollegen während des Krieges intensiv zu den chemischen, elektrischen und physikalischen Eigenschaften von Germanium. Das größte Hindernis war die 'Rückwärtsspannung': Germanium-Gleichrichter hörten bei sehr niedriger Spannung auf, Strom zu gleichrichten und ließen ihn in die entgegengesetzte Richtung fließen. Der Impuls des Rückstroms verbrannte die übrigen Radarbestandteile. Einer der Doktoranden von Lark-Horowitz, Seymour Benzer, untersuchte dieses Problem über ein Jahr lang und entwickelte schließlich einen Zusatz auf Basis von Zinn, der die Rückimpulse bei Spannungen von bis zu hundert Volt stoppte. Kurz darauf begann Western Electric, die Produktionsabteilung des Bell Labs, Gleichrichter, die nach Benzers Schema arbeiteten, für militärische Zwecke auszugeben.

Die Erforschung von Germanium an der Purdue University setzte sich auch nach dem Krieg fort. Im Juni 1947 berichtete Benzer, bereits Professor, von einer ungewöhnlichen Anomalie: In einigen Experimenten traten in den Germaniumkristallen hochfrequente Schwingungen auf. Sein Kollege Ralph Bray setzte die Untersuchung des "Volumenwiderstands" fort, eines Projekts, das während des Krieges begonnen worden war. Der Volumenwiderstand beschrieb, wie Elektrizität an der Kontaktstelle eines Gleichrichters durch den Germaniumkristall fließt. Bray stellte fest, dass Hochspannungsimpulse den Widerstand von n-Typ-Germanium gegen diese Ströme erheblich verringerten. Ohne es zu wissen, wurde er Zeuge der sogenannten "Substraträger". In n-Typ-Halbleitern dient die überschüssige negative Ladung als Hauptladungsträger, aber positive "Löcher" können ebenfalls Strom transportieren. In diesem Fall erzeugten die Hochspannungsimpulse Löcher in der Germaniumstruktur, wodurch Substraträger entstanden.

Bray und Benzer näherten sich dem Germaniumverstärker verlockend nahe, ohne es zu verstehen. Benzer traf Walter Brattain, einen Wissenschaftler aus den Bell Labs, auf einer Konferenz im Januar 1948, um mit ihm über den Volumenwiderstand zu diskutieren. Er schlug Brattain vor, einen weiteren Punktkontakt neben dem ersten zu setzen, der Strom leiten könnte, und dann würden sie möglicherweise verstehen, was sich unter der Oberfläche abspielt. Brattain stimmte diesem Vorschlag leise zu und ging. Wie wir sehen werden, wusste er zu gut, was ein solches Experiment offenbaren könnte.

Oney-sur-Bois

Die Gruppe aus Purdue hatte sowohl die Technologien als auch die theoretischen Grundlagen, um einen Sprung in Richtung Transistor zu machen. Doch sie konnten ihm nur zufällig begegnen. Sie interessierten sich für die physikalischen Eigenschaften des Materials und nicht für die Suche nach einem Gerät neuer Art. Eine völlig andere Situation herrschte in Oney-sur-Bois (Frankreich), wo zwei ehemalige Radar-Forscher aus Deutschland, Heinrich Welker und Herbert Mataré, ein Team leiteten, das die Aufgabe hatte, industrielle Halbleitergeräte zu entwickeln.

Velker studierte zunächst und lehrte dann Physik an der Universität München, die von dem berühmten Theoretiker Arnold Sommerfeld geleitet wurde. Ab 1940 verließ er den reinen theoretischen Weg und begann mit der Arbeit an Radar für die Luftwaffe. Matare (belgischer Herkunft) wuchs in Aachen auf, wo er Physik studierte. Er trat 1939 der Forschungsabteilung des deutschen Radiogiganten Telefunken bei. Während des Krieges verlegte er seine Arbeit von Berlin nach Osten in ein Kloster in Schlesien, um den Luftangriffen der Antihitlerkoalition zu entkommen, und später wieder nach Westen, um der vorrückenden Roten Armee zu entkommen, und landete schließlich in den Händen der amerikanischen Armee.

Wie ihre Gegner aus der Antihitlerkoalition wussten die Deutschen Anfang der 1940er Jahre, dass kristalline Detektoren ideale Empfänger für Radars waren und dass Silizium und Germanium die vielversprechendsten Materialien für deren Erstellung waren. Matare und Velker bemühten sich während des Krieges, die effektive Nutzung dieser Materialien in Gleichrichtern zu verbessern. Nach dem Krieg wurden beide regelmäßig bezüglich ihrer militärischen Arbeit befragt und erhielten schließlich eine Einladung von einem französischen Geheimdienstler nach Paris im Jahr 1946.

Compagnie des Freins & Signaux („Unternehmen Bremsen und Signale“), eine französische Tochtergesellschaft von Westinghouse, erhielt einen Auftrag von der französischen Telefongesellschaft zur Herstellung von Festkörpergleichrichtern und suchte deutsche Wissenschaftler zur Unterstützung. Solch eine Allianz ehemaliger Feinde mag seltsam erscheinen, stellte sich jedoch als recht vorteilhaft für beide Seiten heraus. Die Franzosen, die 1940 besiegt wurden, hatten keine Möglichkeit, Kenntnisse im Bereich der Halbleiter zu erlangen, und benötigten dringend die Fähigkeiten der Deutschen. Die Deutschen konnten in dem von Krieg zerstörten und besetzten Land keine Entwicklungen in hochmodernen Bereichen vorantreiben, griffen daher die Möglichkeit auf, ihre Arbeit fortzusetzen.

Velker und Matare richteten ihr Hauptquartier in einem zweigeschossigen Haus im Vorort Paris, und mit Hilfe eines Teams von Technikern gelang es ihnen, die Produktion von Germanium-Gleichrichtern bis Ende 1947 erfolgreich aufzubauen. Dann wandten sie sich ernsthafteren Zielen zu: Velker kehrte zu seinem Interesse an Supraleitern zurück, während Matare sich den Verstärkern widmete.

Herbert Matare im Jahr 1950

Während des Krieges experimentierte Matare mit Gleichrichtern mit zwei Punktkontakten – „Dioden“ – in dem Versuch, das Rauschen im Schaltkreis zu verringern. Er setzte seine Experimente fort und stellte bald fest, dass der zweite „Katzenschwanz“, der sich 1/100 Millionen Meter vom ersten befand, manchmal den Strom, der durch den ersten Kontakt floss, modulieren konnte. Er entwickelte einen Festkörverstärker, der jedoch ziemlich nutzlos war. Um eine zuverlässigere Funktion zu erreichen, wandte er sich an Welker, der während des Krieges umfangreiche Erfahrung mit Germaniumkristallen gesammelt hatte. Welkers Team züchtete größere und reinere Germaniumkristalle, und zusammen mit der Verbesserung der Materialqualität wurden die Punktkontaktverstärker von Matare bis Juni 1948 zuverlässig.

Röntgenaufnahme des „Transistrons“ auf Basis des Schaltplans von Matare, das zwei Punktkontakte mit Germanium aufweist.

Matare hatte sogar ein theoretisches Modell des Geschehens: Er glaubte, dass der zweite Kontakt Löcher im Germanium erzeugt, die den Stromfluss durch den ersten Kontakt beschleunigen und nicht fundamentale Ladungsträger liefern. Welker war anderer Meinung und glaubte, dass das Geschehen von einem gewissen Feldeffekt abhängt. Bevor sie jedoch das Gerät oder die Theorie erarbeiten konnten, erfuhren sie, dass eine Gruppe Amerikaner genau dasselbe Konzept – einen Germaniumverstärker mit zwei Punktkontakten – sechs Monate früher entwickelt hatte.

Murray Hill

Am Ende des Krieges reformierte Mervin Kelly die Forschungsgruppe der Bell Labs, die sich mit Halbleitern befasste, unter der Leitung von Bill Shockley. Das Projekt wuchs, erhielt mehr Finanzierung und zog aus dem ursprünglichen Gebäude der Labore in Manhattan in den sich ausdehnenden Campus in Murray Hill (New Jersey).

Campus in Murray Hill, ca. 1960

Um sich erneut mit den fortschrittlichen Halbleitern vertraut zu machen (nachdem er während des Krieges an Operationsforschung gearbeitet hatte), besuchte Shockley im Frühling 1945 das Labor von Russell Ohl in Holmdel. Ohl hatte während des Krieges an Silizium gearbeitet und keine Zeit verloren. Er zeigte Shockley einen groben Verstärker, den er selbst gebaut hatte und „Dezister“ nannte. Er nahm einen Silizium-Gleichrichter mit Punktkontakt und ließ Strom von einer Batterie hindurchfließen. Anscheinend reduzierte die Wärme der Batterie den Widerstand am Kontaktpunkt und verwandelte den Gleichrichter in einen Verstärker, der in der Lage war, eingehende Radiosignale an einen Schaltkreis weiterzugeben, der stark genug war, um einen Lautsprecher zu betreiben.

Der Effekt war grob und unzuverlässig, nicht für die Kommerzialisierung geeignet. Dennoch reichte es aus, um Shockleys Meinung über die Möglichkeit der Schaffung eines halbleiterverstärkenden Gerätes zu bestätigen und ihm klarzumachen, dass dies eine prioritäre Forschungsrichtung im Bereich der Festkörper-Elektronik sein sollte. Außerdem überzeugte ihn dieses Treffen mit Ohs Team, dass Silizium und Germanium vorrangig erforscht werden mussten. Sie zeigten attraktive elektrische Eigenschaften, und außerdem hatten Ohs Kollegen, die Metallurgen Jack S. Skaf und Henry Tereer, während des Krieges erstaunliche Fortschritte beim Wachsen, Reinigen und Dotieren dieser Kristalle gemacht und damit alle Technologien zur Verfügung stehenden anderen Halbleitermaterialien übertroffen. Shockleys Gruppe wollte keine Zeit mehr mit vor dem Krieg entwickelten Kupferoxidverstärkern verschwenden.

Mit Hilfe von Kelly begann Shockley, ein neues Team zusammenzustellen. Zu den Schlüsselpersonen gehörte Walter Brattain, der Shockley bei seinem ersten Versuch half, einen Halbleiterverstärker (1940) zu entwickeln, sowie John Bardeen, ein junger Physiker und neuer Mitarbeiter in den Bell Labs. Bardeen hatte wahrscheinlich das umfassendste Wissen über Festkörperphysik von allen Teammitgliedern – seine Dissertation beschrieb die Energielevels der Elektronen in der Struktur von Natriummetall. Außerdem war er ein weiterer Protegé von John Hasbrouck Van Fleck, wie Atanasoff und Brattain.

Wie bei Atanasow erforderten die Dissertationen von Bardin und Shockley komplexe Berechnungen. Sie mussten die von Alan Wilson entwickelte Quantentheorie der Halbleiter nutzen, um die energetische Struktur von Materialien mit einem Taschenrechner von Monroe zu berechnen. Indem sie halfen, den Transistor zu entwickeln, trugen sie im Grunde dazu bei, zukünftige Doktoranden von dieser Arbeit zu befreien.

Der erste Ansatz von Shockley für den Festkörperverstärker basierte auf dem, was später als „Feld Effekt“ bezeichnet wurde. Er hängte eine Metallplatte über einen Halbleiter vom n-Typ (mit einem Überschuss an negativen Ladungen). Das Anlegen einer positiven Ladung an die Platte zog den Überschuss an Elektronen an die Oberfläche des Kristalls und schuf einen Fluss negativer Ladungen, durch den elektrischer Strom leicht fließen konnte. Das verstärkte Signal (dargestellt durch das Ladungsniveau an der Platte) konnte auf diese Weise den Hauptkreis (der sich über die Oberfläche des Halbleiters erstreckt) modulieren. Die Funktionsweise dieses Schaltkreises wurde ihm durch sein theoretisches Wissen in der Physik nahegelegt. Doch trotz vieler Versuche und Experimente funktionierte die Schaltung nicht.

Bis März 1946 hatte Bardin eine gut durchdachte Theorie entwickelt, die den Grund dafür erklärte: Die Oberfläche des Halbleiters verhält sich auf quantenmechanischer Ebene anders als sein Inneres. Negative Ladungen, die an die Oberfläche gezogen werden, bleiben in „Oberflächenzuständen“ gefangen und blockieren das Eindringen des elektrischen Feldes von der Platte in das Material. Die anderen Teammitglieder hielten diese Analyse für überzeugend und starteten ein neues Forschungsprogramm in drei Richtungen:

1. Die Existenz der Oberflächenzustände nachzuweisen.
2. Ihre Eigenschaften zu untersuchen.
3. Eine Methode zu entwickeln, um sie zu überwinden und einen funktionierenden Feldeffekttransistor zu bauen..

Nach eineinhalb Jahren Forschung und Experimenten erzielte Breteyn am 17. November 1947 einen Durchbruch. Er entdeckte, dass wenn man eine mit Ionen gefüllte Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, zwischen einer Platte und einem Halbleiter platziert, das elektrische Feld von der Platte die Ionen zum Halbleiter drängt, wo sie die in den Oberflächenzuständen gefangenen Ladungen neutralisieren. Jetzt konnte er das elektrische Verhalten eines Stücks Silizium steuern, indem er die Ladung auf der Platte veränderte. Dieser Erfolg gab Bardin die Idee für einen neuen Ansatz zur Schaffung eines Verstärkers: den Kontaktbereich des Gleichrichters mit elektrolytischem Wasser zu umgeben und dann einen zweiten Draht im Wasser zu verwenden, um die Oberflächenzustände zu steuern und so das Leitungsniveau des primären Kontakts zu kontrollieren. So gelangten Bardin und Breteyn ans Ziel.

Bardins Idee funktionierte, jedoch war die Verstärkung schwach und arbeitete bei sehr niedrigen Frequenzen, die für das menschliche Ohr unhörbar waren – daher war es nutzlos als Telefon- oder Radioverstärker. Bardin schlug vor, zu einem widerstandsfähigen, gegen Rückwärtsspannung immunen Germanium überzugehen, das in Purdue hergestellt wurde, in der Annahme, dass sich auf seiner Oberfläche weniger Ladungen ansammeln würden. Plötzlich erhielten sie eine enorme Verstärkung, jedoch in der entgegengesetzten Richtung als erwartet. Sie entdeckten den Effekt der majoritätstragenden Ladeträger – anstelle der erwarteten Elektronen verstärkte der Strom, der durch das Germanium floss, die Löcher, die aus dem Elektrolyten kamen. Der Strom im Draht im Elektrolyten erzeugte eine p-Typ-Schicht (Bereich überflüssiger positiver Ladungen) auf der Oberfläche des n-Typ-Germaniums.

Folgende Experimente zeigten, dass der Elektrolyt überhaupt nicht notwendig war: Indem man einfach zwei Kontaktpunkte nahe beieinander auf der Oberfläche des Germaniums platzierte, konnte man den Strom von einem der Punkte auf den anderen modulieren. Um sie so nah wie möglich zu bringen, wickelte Breteyn ein Stück Goldfolie um ein dreieckiges Stück Plastik und schnitt dann vorsichtig die Folie an der Spitze auf. Dann drückte er mithilfe einer Feder das Dreieck auf das Germanium, wodurch die beiden Kanten des Schnitts auf seiner Oberfläche in einem Abstand von 0,05 mm in Kontakt kamen. Dies gab dem Transistorprototyp von den Bell-Laboren sein charakteristisches Aussehen:

Der Transistorprototyp von Breteyn und Bardin

Wie die Geräte von Matara und Welker war dies im Prinzip ein klassisches „Katzi-Us“, einfach mit zwei Kontaktpunkten anstelle von einem. Am 16. Dezember erzielte es eine erhebliche Verstärkung von Leistung und Spannung sowie eine Frequenz von 1000 Hz im hörbaren Bereich. Eine Woche später, nach kleinen Verbesserungen, erhielten Bardin und Brettain eine Spannungsverstärkung von 100 Mal und eine Leistungssteigerung von 40 Mal und zeigten den Direktoren von Bell, dass ihr Gerät verständliche Sprache wiedergeben kann. John Pierce, ein weiteres Mitglied des Entwicklungsteams für Festkörpergeräte, erfand den Begriff „Transistor“ inspiriert vom Namen des Bell-Gleichrichters auf Kupferoxid, Varistor.

Die folgenden sechs Monate hielt das Labor die neue Kreation geheim. Das Management wollte sicherstellen, dass sie einen Vorteil bei der Vermarktung der Möglichkeiten des Transistors hatten, bevor es jemand anders bekam. Die Pressekonferenz wurde auf den 30. Juni 1948 anberaumt, genau rechtzeitig, um all die Träume von Welker und Matara über Unsterblichkeit zu zerstören. In der Zwischenzeit zerfiel das Halbleiterforschungsteam im Stillen. Als sein Chef, Bill Shockley, von den Erfolgen von Bardin und Brettain hörte, begann er, sich alle Lorbeeren selbst anzueignen. Obwohl er nur eine beobachtende Rolle spielte, erhielt Shockley bei der öffentlichen Präsentation gleich viel, wenn nicht sogar mehr Aufmerksamkeit – das ist deutlich auf diesem veröffentlichten Foto zu erkennen, auf dem er mitten im Geschehen direkt am Labortisch steht:

Werbefoto von 1948 – Bardin, Shockley und Brettain

Für Shockley war die gleichmäßige Berühmtheit jedoch nicht genug. Schon bevor jemand außerhalb der Bell-Labore von dem Transistor erfuhr, begann er, ihn neu zu erfinden, um sich den Ruhm anzueignen. Und das war nur die erste von vielen ähnlichen Wiedererfindungen.

Was man sonst noch lesen sollte

• Robert Buderi, Die Erfindung, die die Welt veränderte (1996)
• Michael Riordan, „Wie Europa den Transistor verpasste“, IEEE Spectrum (1. Nov. 2005)
• Michael Riordan und Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
• Armand Van Dormael, „Der ‚französische‘ Transistor“ www.cdvandt.org/VanDormael.pdf (1994)

Quelle: habr.com