Die Geschichte des Transistors, Teil 2: aus dem Kriegsofen

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Der Kriegsofen bereitete den Boden für die Entstehung des Transistors. Von 1939 bis 1945 wuchs das technische Wissen im Bereich der Halbleiter enorm. Der Grund dafür war einfach: Radar. Die wichtigste Technologie des Krieges, die in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kam: Erkennung von Luftangriffen, Suche nach U-Booten, Leitung nächtlicher Luftangriffe auf Ziele, Zielansteuerung von Luftabwehr- und Marineartillerie. Ingenieure lernten sogar, winzige Radare in Artilleriegeschosse zu integrieren, 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. Dieses Ereignis sorgte in der modernen Wissenschaft für Verwirrung. Hätten sich Radiowellen geradlinig bewegt (wie es sein sollte), wäre eine solche Übertragung unmöglich gewesen. Zwischen England und Kanada gibt es keine direkte Sichtlinie, die die Erde nicht durchquert, weshalb die Nachricht von Marconi ins All hätte fliegen müssen. Der amerikanische Ingenieur Arthur Kennelly und der britische Physiker Oliver Heaviside vermuteten unabhängig voneinander, dass das Phänomen durch eine Schicht ionisierten Gases in den oberen Atmosphärenschichten erklärt werden könnte, die in der Lage ist, Radiowellen zurück zur Erde zu reflektieren (Marconi selbst nahm an, dass Radiowellen der Krümmung der Erdoberfläche folgen, was von den Physikern jedoch nicht unterstützt wurde).

In den 1920er Jahren entwickelten Wissenschaftler neue Geräte, die es zunächst ermöglichten, das Vorhandensein der Ionosphäre nachzuweisen und anschließend ihre Struktur zu untersuchen. Sie verwendeten Elektronenröhren zur Erzeugung von Kurzwellensignalen, gerichtete Antennen, um diese in die Atmosphäre zu senden, und zur Registrierung der Echos, sowie elektronenstrahlbasierte Geräte zur Präsentation der Ergebnisse. Je größer die Rücklaufverzögerung des Echos, desto weiter entfernt muss die Ionosphäre sein. Diese Technologie wurde als atmosphärische Erkundung bezeichnet und bildete die grundlegende technische Infrastruktur für die Schaffung von Radar (der Begriff „Radar“, von RAdio Detection And Ranging, entstand erst in den 1940er Jahren in der US-Marine).

Es war nur eine Frage der Zeit, bis Menschen mit dem nötigen Wissen, den Ressourcen und der Motivation das Potenzial des terrestrischen Einsatzes solcher Geräte erkannten (so betrachtet ist die Geschichte des Radars das Gegenteil von der des Teleskops, das ursprünglich für den Einsatz am Boden gedacht war). Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Erkenntnis nahm zu, je mehr sich das Radio auf der Welt verbreitete und immer mehr Menschen die Störungen von nahegelegenen Schiffen, Flugzeugen und anderen großen Objekten bemerkten. Das Wissen aus der Technologie der Erforschung der oberen Atmosphäre verbreitete sich während des zweiten Internationalen Polarjahres (1932-1933), als Wissenschaftler von verschiedenen arktischen Stationen die Ionosphäre kartierten. Kurz darauf entwickelten Teams in 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 sprunghaft an. In den USA wurden diese Ressourcen um eine neue Organisation gebündelt, die 1940 am MIT gegründet wurde und bekannt ist als Rad Lab (Sie wurde so genannt, um ausländische Spione in die Irre zu führen und den Eindruck zu erwecken, dass in dem Labor Radioaktivität erforscht wird – zu einer Zeit, als nur wenige an Atomwaffen glaubten). Das 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 (darunter Luis Alvarez und Isidor Isaac Rabi) erhielten später den Nobelpreis. Zum Ende des Krieges arbeiteten etwa 500 promovierte Wissenschaftler, Forscher und Ingenieure im Labor, insgesamt waren es 4000 Beschäftigte. Eine halbe Million Dollar – was dem gesamten Budget für die Erstellung des ENIAC entspricht – wurde allein für die Herausgabe der Radiation Laboratory Series aufgewendet, die aus siebenundzwanzig Bänden besteht und das gesamte Wissen dokumentiert, das im Labor während des Krieges gewonnen wurde (dabei waren die Ausgaben der US-Regierung für Radartechnologie nicht auf das Budget des Rad Labs beschränkt; während des Krieges erwarb die Regierung Radaranlagen im Wert von drei Milliarden Dollar).

Das 20. Gebäude des MIT, in dem sich das Rad Lab befand

Eines der Hauptforschungsgebiete des Rad Lab war der Hochfrequenzradar. Frühe Radare verwendeten Wellen mit Längen, die in Metern gemessen wurden. Doch Strahlen höherer Frequenzen, deren Wellenlängen in Zentimetern gemessen wurden – Mikrowellen – ermöglichten kompaktere Antennen und wurden über größere Entfernungen weniger zerstreut, was große Vorteile in Bezug auf Reichweite und Genauigkeit versprach. Mikrowellenradare könnten im Bug eines Flugzeugs untergebracht werden und Objekte in der Größe eines periskopischen U-Boots erkennen.

Die erste Herausforderung gelang dem Team britischer Physiker von der Universität Birmingham. 1940 entwickelten sie den „Resonanzmagnetron«, der als elektromagnetische „Pfeife“ fungierte und chaotische elektrische Impulse in einen kraftvollen und präzise abgestimmten Mikrowellenstrahl umwandelte. Dieser Mikrowellenübertrager war tausendmal leistungsfähiger als der nächste Mitbewerber; er ebnete den Weg für die Entwicklung praktischer Hochfrequenz-Radarübertrager. Allerdings benötigte er einen Begleiter, einen Empfänger, der in der Lage war, hohe Frequenzen zu empfangen. An diesem Punkt kehren wir in die Geschichte der Halbleiter zurück.

Schnittansicht des Magnetrons

Das zweite Kommen des Katzenbartes

Es stellte sich heraus, dass Elektronenröhren überhaupt nicht für den Empfang von Mikrowellensignalen von Radaren geeignet waren. Der Abstand zwischen der heißen Kathode und der kalten Anode schafft eine Kapazität, wodurch der Schaltkreis bei hohen Frequenzen nicht funktioniert. Die beste verfügbare Technologie für Hochfrequenz-Radare war das altmodische „Katzenbart“ – ein kleiner Drahtabschnitt, der an einem Halbleiterkristall anliegt. Dies wurde unabhängig voneinander von mehreren Personen entdeckt, jedoch ist das, was in New Jersey geschah, am relevantesten für unsere Geschichte.

1938 schloss das Bell Laboratorium einen Vertrag mit der Marine über die Entwicklung eines Feuerleitrechners für einen Radar mit einer Wellenlänge von 40 cm – das war deutlich kürzer und somit höherfrequent als die Radarsysteme der damaligen Zeit vor der Verwendung von Resonanz-Magnetronen. Die Hauptforschungsarbeiten wurden an einer Laborabteilung in Holmdel, südlich von Staten Island, durchgeführt. Die Forscher benötigten nicht viel Zeit, um zu begreifen, was sie für den Hochfrequenzempfänger benötigen würden, und bald durchforstete Ingenieur George Southworth die Radiofachgeschäfte in Manhattan auf der Suche nach alten „Katze-Schnurrhaar“-Detektoren. Wie erwartet funktionierte dieser deutlich besser als der Lampendetektor, jedoch instabil. Daher fand Southworth einen Chemiker namens Russell All und bat ihn, die Homogenität der Reaktion des Kristalldetektors mit einem Kontaktpunkt zu verbessern.

Er war ein recht eigenwilliger Mensch, der die Entwicklung der Technologie als sein Schicksal betrachtete und von gelegentlichen Eingebungen mit Visionen der Zukunft berichtete. Beispielsweise behauptete er, dass er bereits 1939 von der zukünftigen Erfindung des Silikonverstärkers wusste, aber dass das Schicksal vorgesehen hatte, dass ein anderer Mensch ihn erfindet. Nach eingehender Analyse dutzender Varianten entschloss er sich, Silizium als das beste Material für die Southworth-Empfänger zu wählen. Das Problem bestand darin, den Gehalt des Materials zu kontrollieren, um seine elektrischen Eigenschaften steuern zu können. Zu dieser Zeit waren industriell gefertigte Silizium-Patties weit verbreitet, die in Stahlwerken verwendet wurden, doch in dieser Produktion kümmerte es niemanden, zum Beispiel, dass im Silizium 1 % Phosphor enthalten war. Mit der Unterstützung einiger Metallurgen setzte sich Ol zum Ziel, viel reinere Patties zu erhalten als zuvor möglich war.

Während ihrer Arbeit stellten sie fest, dass einige ihrer Kristalle den Strom in eine Richtung leiteten, während andere in die entgegengesetzte Richtung leiteten. Sie nannten diese Kristalle „n-Typ“ und „p-Typ“. Eine weitere Analyse ergab, dass unterschiedliche Verunreinigungen für diese Typen verantwortlich waren. Silizium befindet sich in der vierten Spalte des Periodensystems von Mendelejew, was bedeutet, dass es vier Elektronen in der äußeren Hülle hat. In einem Block aus reinem Silizium würde sich jedes dieser Elektronen mit seinem Nachbarn verbinden. Verunreinigungen aus der dritten Spalte, zum Beispiel Bor, das ein Elektron weniger hat, schaffen „Löcher“, zusätzliche Räume für die Bewegung von Strom im Kristall. Dadurch entsteht ein p-Typ-Halbleiter (mit einem Überschuss an positiven Ladungen). Elemente aus der fünften Spalte, wie Phosphor, liefern zusätzliche freie Elektronen für den Stromtransport, und es entsteht ein n-Typ-Halbleiter.

Kristallstruktur von Silizium

All diese Forschungsergebnisse waren sehr interessant, jedoch waren Southworth und Ol bis 1940 nicht in der Lage, einen funktionierenden Prototyp für einen Hochfrequenzradar zu entwickeln. Die britische Regierung forderte sofortige praktische Ergebnisse aufgrund der drohenden Gefahr durch die Luftwaffe, die bereits serienmäßige Mikrowellen-Detektoren in Kombination mit Magnetron-Transceivern entwickelt hatte.

Bald darauf wird sich jedoch das Gleichgewicht der technischen Errungenschaften auf die westliche Seite des Atlantiks neigen. Churchill entschloss sich, alle technischen Geheimnisse Großbritanniens den Amerikanern noch vor dem tatsächlichen Kriegseintritt zu enthüllen, da er annahm, dass dies ohnehin geschehen würde. Er glaubte, dass das Risiko eines Informationslecks gerechtfertigt sei, da die gesamten industriellen Kapazitäten der USA auf die Lösung solcher Fragen wie Atomwaffen und Radartechnologie ausgerichtet werden würden. Die britische wissenschaftlich-technische Mission (auch bekannt als Tizard-Mission) kam im September 1940 in Washington an und brachte ein Geschenk in Form technischer Wunder im Gepäck mit.

Die Entdeckung der beeindruckenden Leistung des Resonanzmagnetrons und die Effektivität britischer kristalliner Detektoren zur Erfassung seines Signals belebten die Forschung der Amerikaner im Bereich der Halbleiter als Grundlage für Hochfrequenzradare. Es gab viel zu tun, insbesondere im Bereich der Materialwissenschaften. Um den Anforderungen gerecht zu werden, mussten Halbleiterkristalle in Millionenstückzahlen produziert werden, weit mehr als zuvor möglich war. Es war notwendig, die Gleichrichtung zu verbessern, die Störempfindlichkeit zu verringern und das Ausbrennen zu minimieren sowie die Unterschiede zwischen verschiedenen Chargen von Kristallen zu minimieren.

Silikon-Gleichrichter mit Punktkontakt

Im Rad Lab wurden neue Forschungsabteilungen eröffnet, um die Eigenschaften von Halbleiterkristallen zu untersuchen und zu erfahren, wie diese verändert werden können, um wertvolle 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 Erforschung beider Materialien zu starten: Silizium an der University of Pennsylvania und Germanium an der Purdue University. Industriegrößen wie Bell, Westinghouse, Du Pont und Sylvania haben eigene Forschungsprogramme für Halbleiter initiiert und begonnen, neue Produktionskapazitäten für kristalline Detektoren zu entwickeln.

Durch gemeinsame Anstrengungen gelang es, die Reinheit der Silizium- und Germaniumkristalle von 99 % zu Beginn auf 99,999 % zu steigern – also auf ein Teilchen Verunreinigung pro 100.000 Atome. In diesem Prozess haben sich die Wissenschaftler und Ingenieure intensiv mit den abstrakten Eigenschaften von Germanium und Silizium sowie mit den angewandten Technologien zu deren Kontrolle vertraut gemacht: Schmelzen, Kristallwachstum und das Hinzufügen der benötigten Verunreinigungen (wie Bor, das die Leitfähigkeit erhöhte).

Und 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. Mindestens drei Teams waren in einer guten Position, um diesen Preis zu gewinnen.

West Lafayette

Zuerst war da eine Gruppe der Purdue University unter der Leitung des österreichischstämmigen Physikers Karl Lark-Horowitz. Durch sein Talent und seinen Einfluss konnte er die Physikabteilung der Universität aus der Vergessenheit holen und die Rad Lab dazu bringen, seiner Labor Forschung über Germanium anzuvertrauen.

Karl Lark-Horowitz im Jahr 1947, in der Mitte, mit einer Röhre

Anfang der 1940er Jahre galt Silizium als das beste Material für Radargleichrichter. Doch das Material, das direkt darunter im Periodensystem steht, schien ebenfalls eine eingehendere Untersuchung wert zu sein. Germanium hatte den praktischen Vorteil einer niedrigen Schmelztemperatur von etwa 940 Grad, im Vergleich zu 1400 Grad bei Silizium (fast wie bei Stahl). Aufgrund der hohen Schmelztemperatur war es äußerst schwierig, einen Rohling herzustellen, der nicht im geschmolzenen Silizium ausgelaufen wäre und ihn damit verunreinigt hätte.

Deshalb haben Lark-Horowitz und seine Kollegen während des gesamten Krieges die chemischen, elektrischen und physikalischen Eigenschaften von Germanium untersucht. Das größte Hindernis war die "Rückwärtsspannung": Germaniumgleichrichter hörten bei sehr niedriger Spannung auf, Gleichstrom zu erzeugen, und ermöglichten es dem Strom, in die entgegengesetzte Richtung zu fließen. Der Impuls des Rückstroms zerstörte die anderen Komponenten des Radars. Einer der Doktoranden von Lark-Horowitz, Seymour Benzer, beschäftigte sich über ein Jahr mit diesem Problem und entwickelte schließlich einen Zusatz auf Zinnbasis, der die Rückimpulse bei Spannungen bis zu hundert Volt stoppte. Kurz danach begann Western Electric, die Produktionsabteilung der Bell Labs, Gleichrichter, die nach dem Schema von Benzer arbeiteten, für militärische Zwecke auszugeben.

Die Erforschung von Germanium in der Halbleitertechnik setzte sich auch nach dem Krieg fort. Im Juni 1947 berichtete Benzer, inzwischen Professor, von einer ungewöhnlichen Anomalie: In einigen Experimenten traten hochfrequente Schwingungen in Germaniumkristallen auf. Sein Kollege Ralph Bray setzte die Untersuchung des „Volumenwiderstands” fort, ein Projekt, das während des Krieges begonnen worden war. Der Volumenwiderstand beschrieb, wie Elektrizität an der Kontaktstelle eines Gleichrichters in einem Germaniumkristall fließt. Bray stellte fest, dass Hochspannungsimpulse den Widerstand von n-Typ-Germanium gegen diese Ströme signifikant verringerten. Ohne es zu wissen, wurde er Zeuge der sogenannten „nicht trivialen” Ladungsträger. In n-Typ-Halbleitern dient der überschüssige negative Ladungsträger als primärer Träger, jedoch können positive „Löcher” ebenfalls Strom führen. In diesem Fall erzeugten die Hochvoltimpulse Löcher in der Germaniumstruktur, was zur Entstehung nicht trivialer Ladungsträger führte.

Bray und Benser kamen dem germaniumverstärker verführerisch nahe, ohne es zu merken. Benser hatte Walter Brattain, einen Wissenschaftler aus den Bell Labs, auf einer Konferenz im Januar 1948 getroffen, um mit ihm über den spezifischen Widerstand zu sprechen. Er schlug Brattain vor, einen weiteren Punktkontakt neben dem ersten zu platzieren, der Strom leiten könnte, und dann könnten sie möglicherweise verstehen, was unter der Oberfläche geschieht. Brattain stimmte diesem Vorschlag stillschweigend zu und ging. Wie wir sehen werden, wusste er nur zu gut, was ein solcher Versuch offenbaren konnte.

One-Su-Bois

Die Gruppe von Purdue verfügte sowohl über Technologien als auch über theoretische Grundlagen, um einen Sprung in Richtung Transistor zu machen. Doch sie konnten nur zufällig auf ihn stoßen. Ihr Interesse galt den physikalischen Eigenschaften des Materials und nicht der Suche nach einem neuen Gerät. Eine völlig andere Situation herrschte in One-Su-Bois (Frankreich), wo zwei ehemalige Radar-Forscher aus Deutschland, Heinrich Welker und Herbert Matara, ein Team leiteten, das die Aufgabe hatte, industrielle Halbleitergeräte zu entwickeln.

Zunächst studierte Welker Physik und unterrichtete dann an der Münchener Universität, die von dem berühmten theoretischen Physiker Arnold Sommerfeld geleitet wurde. Ab 1940 verließ er den rein theoretischen Bereich und begann, am Radar für die Luftwaffe zu arbeiten. Mataré, belgischer Herkunft, wuchs in Aachen auf, wo er Physik studierte. 1939 trat er 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 anti-hitlerischen Koalition zu entkommen, und dann wieder nach Westen, um der vorrückenden Roten Armee zu entkommen, bis er schließlich in die Hände der amerikanischen Armee fiel.

Wie ihre Rivalen aus der Anti-Hitler-Koalition wussten die Deutschen Anfang der 1940er Jahre, dass kristalline Detektoren ideale Empfänger für Radargeräte waren und dass Silizium und Germanium die vielversprechendsten Materialien für deren Herstellung darstellten. Matari und Welker versuchten während des Krieges, die effektive Nutzung dieser Materialien in Gleichrichtern zu verbessern. Nach dem Krieg wurden beide regelmäßig zu ihrer militärischen Arbeit befragt und erhielten schließlich 1946 eine Einladung eines französischen Geheimagenten nach Paris.

Die Compagnie des Freins & Signaux, die französische Tochtergesellschaft von Westinghouse, erhielt einen Auftrag von der französischen Telefonverwaltung zur Herstellung von Festkörpergleichrichtern und suchte nach deutschen Wissenschaftlern zur Unterstützung. Eine solche Allianz ehemaliger Feinde mag seltsam erscheinen, doch diese Vereinbarung stellte sich als vorteilhaft für beide Seiten heraus. Die Franzosen, die 1940 geschlagen wurden, hatten keine Möglichkeit, sich Wissen im Bereich der Halbleiter anzueignen und benötigten dringend die Fähigkeiten der Deutschen. Die Deutschen konnten in einem von Krieg verwüsteten und besetzten Land keine Entwicklungen in hochmodernen Bereichen durchführen, weshalb sie die Gelegenheit zur Fortsetzung ihrer Arbeit ergriffen.

Welcker und Matare richteten ihr Hauptquartier in einem zweistöckigen Haus im Vorort von Paris, Oné-sous-Bois, ein und schafften es mit einem Team von Technikern, bis Ende 1947 eine erfolgreiche Produktion von Germanium-Gleichrichtern aufzubauen. Danach setzten sie sich ernsthafteren Zielen zu: Welcker kehrte zu seinem Interesse an Supraleitern zurück, während Matare sich den Verstärkern widmete.

Herbert Matare im Jahr 1950

Während des Krieges experimentierte Mataré mit Dioden-Bauteilen mit zwei Punktkontakten – den sogenannten "Duodioden" –, um das Rauschen im Schaltkreis zu reduzieren. Er setzte seine Experimente fort und stellte bald fest, dass der zweite "Schnurrbart", der sich 1/100 Millionstel Meter vom ersten befand, manchmal den Strom modulieren konnte, der durch den ersten Schnurrbart floss. Er entwickelte einen Festkörperverstärker, der allerdings ziemlich unbrauchbar war. Um eine zuverlässigere Funktion zu erreichen, wandte er sich an Welker, der während des Krieges umfangreiche Erfahrungen mit Germaniumkristallen gesammelt hatte. Welkers Team züchtete größere und reinere Exemplare von Germaniumkristallen, und zusammen mit der Verbesserung der Materialqualität wurden Matarés Punktkontaktverstärker bis Juni 1948 zuverlässig.

Röntgenaufnahme des "Transistrons" basierend auf Mataraes Schaltung, das zwei Kontaktpunkte mit Germanium hat.

In Matare gab es sogar ein theoretisches Modell des Geschehens: Er glaubte, dass der zweite Kontakt in Deutschland Löcher erzeugt, wodurch der Stromfluss durch den ersten Kontakt beschleunigt wird, indem er nicht fundamentale Ladungsträger bereitstellt. Velker war anderer Meinung und glaubte, dass das Geschehene von einem bestimmten Feldeffekt abhängt. Doch bevor sie das Gerät oder die Theorie ausarbeiten 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 unter der Leitung von Bill Shockley befasste. Das Projekt wuchs, erhielt mehr Finanzierung und zog von 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 neuesten Halbleitern vertraut zu machen (nachdem er während des Krieges in der Operationsforschung tätig war), besuchte Shockley im Frühjahr 1945 das Labor von Russell Ohl in Holmdel. Ohl hatte die Kriegsjahre damit verbracht, an Silizium zu arbeiten, und hatte keine Zeit verschwendet. Er zeigte Shockley einen selbstgebauten Verstärker, den er "Dezister" nannte. Er nahm einen Silizium-Gleichrichter mit Punktkontakt und leitete Strom von einer Batterie durch ihn. Anscheinend reduzierte die Wärme der Batterie den Widerstand am Punktkontakt und verwandelte den Gleichrichter in einen Verstärker, der in der Lage war, eingehende Funksignale an einen Schaltkreis weiterzuleiten, der stark genug war, um einen Lautsprecher zu betreiben.

Die Ergebnisse waren grob und unzuverlässig, ungeeignet für eine Kommerzialisierung. Dennoch reichten sie aus, um Shockleys Meinung über die Möglichkeit der Entwicklung eines Halbleiterverstärkers zu bestätigen und darauf hinzuweisen, dass dies eine Priorität in der Forschung auf dem Gebiet der Festkörper-Elektronik sein sollte. Außerdem überzeugte diese Sitzung mit Olas Team Shockley, dass Silizium und Germanium in erster Linie untersucht werden müssen. Sie wiesen attraktive elektrische Eigenschaften auf, und darüber hinaus hatten Olas Kollegen, die Metallurgen Jack Scaife und Henry Terer, während des Krieges erstaunliche Fortschritte beim Wachsen, Reinigen und Dotieren dieser Kristalle erzielt, die alle Techniken für andere Halbleitermaterialien übertrafen. Shockleys Gruppe wollte keine Zeit mehr mit den vorkrieglichen Verstärkern aus Kupferoxid verschwenden.

Mit Kelly begann Shockley, ein neues Team zusammenzustellen. Zu den Schlüsselspielern gehörte Walter Brattain, der Shockley bei seinem ersten Versuch half, einen Halbleiterverstärker (1940) zu entwickeln, und John Bardeen, ein junger Physiker und neuer Mitarbeiter der Bell Labs. Bardeen verfügte wahrscheinlich über das umfassendste Wissen über Festkörperphysik unter allen Teammitgliedern – seine Dissertation beschrieb die Energiezustände von Elektronen in der Struktur von metallischem Natrium. Er war auch ein weiterer Schützling von John H. Van Vleck, so wie Atanasoff und Brattain.

Wie bei Atanasoff erforderten die Dissertationen von Bardeen und Shockley komplexe Berechnungen. Sie mussten die quantenmechanische Theorie der Halbleiter, die von Alan Wilson formuliert wurde, verwenden, um die energetische Struktur der Materialien mit einem Monroe-Taschenrechner zu berechnen. Indem sie halfen, den Transistor zu entwickeln, trugen sie im Wesentlichen dazu bei, zukünftige Doktoranden von solcher mühsamen Arbeit zu befreien.

Shockleys erster Ansatz für den Festkörperverstärker beruhte auf dem, was später als „FeldeffektEr hing eine Metallplatte über einem n-Typ-Halbleiter (mit einem Überschuss an negativen Ladungen). Das Anlegen einer positiven Ladung an die Platte zog den Überschuss an Elektronen zur Oberfläche des Kristalls, wodurch ein Fluss negativer Ladungen geschaffen wurde, durch den der elektrische Strom leichter fließen konnte. Das verstärkte Signal (gekennzeichnet durch das Ladungsniveau auf der Platte) konnte auf diese Weise den Hauptkreis modulieren (der sich über die Oberfläche des Halbleiters erstreckt). Die Funktionalität dieser Schaltung wurde durch seine theoretischen Kenntnisse in der Physik inspiriert. Trotz zahlreicher Experimente und Versuche funktionierte die Schaltung jedoch nicht.

Bis März 1946 hatte Bardin eine gut durchdachte Theorie entwickelt, die den Grund dafür erklärte: Die Oberfläche des Halbleiters verhält sich auf Quantenebene anders als sein Inneres. Negative Ladungen, die an die Oberfläche gezogen werden, geraten in Fallen, die als „Oberflächenzustände“ bekannt sind, 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 mit drei Ansätzen:

1. Die Existenz von Oberflächenzuständen nachweisen.
2. Ihre Eigenschaften untersuchen.
3. Eine Methode entwickeln, um sie zu überwinden und einen funktionierenden Feldtransistor.

Nach anderthalb Jahren Forschung und Experimenten gelang Brettain am 17. November 1947 der Durchbruch. Er entdeckte, dass das Platzieren einer ionenhaltigen Flüssigkeit, wie Wasser, zwischen einer Platte und einem Halbleiter dazu führt, dass das elektrische Feld von der Platte die Ionen zum Halbleiter drängt, wo sie die in den Oberflächenzuständen gefangenen Ladungen neutralisieren. Nun konnte er das elektrische Verhalten eines Stückes Silizium steuern, indem er die Ladung auf der Platte änderte. Dieser Erfolg gab Bardin die Idee für einen neuen Ansatz zur Schaffung eines Verstärkers: die Kontaktstelle des Gleichrichters mit elektrolytischem Wasser zu umgeben und dann einen zweiten Draht im Wasser zu verwenden, um die Oberflächenzustände zu steuern und so den Leitungsgrad des Hauptkontakts zu kontrollieren. So erreichten Bardin und Brettain die Ziellinie.

Die Idee von Bardin erwies sich als erfolgreich, doch die Verstärkung war schwach und funktionierte nur in sehr niedrigen Frequenzen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar waren – daher war sie als Telefon- oder Radioverstärker nutzlos. Bardin schlug vor, auf das gegenüber Gleichspannung resistente Germanium umzusteigen, das in Purdue gewonnen wurde, in der Annahme, dass sich weniger Ladungen an seiner Oberfläche ansammeln würden. Plötzlich erzielten sie eine äußerst starke Verstärkung, jedoch in die unerwartete Richtung. Sie entdeckten den Effekt der nicht-haupttragenden Ladungsträger – anstelle der erwarteten Elektronen verstärkten die durch das Germanium fließenden Ströme die Löcher, die aus dem Elektrolyten kamen. Der Strom im Draht im Elektrolyten erzeugte eine p-Type-Schicht (Bereich mit überschüssigen positiven Ladungen) an der Oberfläche des n-Type-Germaniums.

Nachfolgende Experimente zeigten, dass das Elektrolyt eigentlich nicht benötigt wurde: Indem man einfach zwei Kontaktpunkte nah beieinander auf der Oberfläche von Germanium platzierte, konnte man den Strom von einem zum anderen modulieren. Um sie so dicht wie möglich zusammenzubringen, wickelte Brettain ein Stück Goldfolie um ein dreieckiges Stück Plastik und schnitt dann vorsichtig die Folie an der Spitze auf. Dann drückte er mit einer Feder das Dreieck gegen das Germanium, sodass die beiden Schnittkanten mit seiner Oberfläche in einem Abstand von 0,05 mm in Berührung kamen. So erhielt der Prototyp des Transistors in den Bell Labs sein charakteristisches Aussehen:

Der Prototyp des Transistors von Brettain und Bardin

Ähnlich wie das Matari- und Welker-Gerät war dies im Grunde ein klassisches "Katze-Schnurrhaar", jedoch mit zwei Kontaktpunkten anstelle von einem. Am 16. Dezember erreichte es eine signifikante Verstärkung von Leistung und Spannung sowie eine Frequenz von 1000 Hz im hörbaren Bereich. Eine Woche später, nach einigen Verbesserungen, erzielten Bardin und Brettain eine Verstärkung der Spannung um das 100-Fache und der Leistung um das 40-Fache und demonstrierten den Bell-Direktoren, dass ihr Gerät hörbare Sprache wiedergeben kann. John Pierce, ein weiteres Mitglied des Entwicklungsteams für Festkörpergeräte, prägte den Begriff "Transistor" inspiriert von der Bezeichnung des Bell-Gleichrichters auf Kupferoxid, dem Varistor.

Die folgenden sechs Monate hat das Labor sein neues Produkt geheim gehalten. Die Leitung wollte sicherstellen, dass sie einen Vorsprung bei der kommerziellen Nutzung des Transistors hatten, bevor ihn jemand anderes bekam. Die Pressekonferenz wurde auf den 30. Juni 1948 angesetzt, genau rechtzeitig, um alle Träume von Welker und Matare über Unsterblichkeit zu zerstören. In der Zwischenzeit brach die Gruppe der Halbleiterforschung leise auseinander. Als ihr Chef, Bill Shockley, von den Erfolgen von Bardin und Brattain hörte, begann er daran zu arbeiten, sich den gesamten Ruhm anzueignen. Und obwohl er nur eine beobachtende Rolle spielte, erhielt Shockley in der öffentlichen Präsentation gleich viel, wenn nicht mehr Aufmerksamkeit – wie das veröffentlichte Foto zeigt, auf dem er mitten im Geschehen und direkt am Labortisch zu sehen ist:

Werbefoto von 1948 – Bardin, Shockley und Brattain

Shockley genügte dieser Ruhm jedoch nicht. Noch bevor jemand außerhalb der Bell-Labore vom Transistor wusste, begann er mit dessen Wiedererfindung, um sich den Ruhm anzueignen. Und dies war erst das erste von vielen solchen Wiedererfindungen.

Weitere Lektüre

• 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, Kristallfeuer (1997)
• Armand Van Dormael, „Der ‚französische‘ Transistor,“ www.cdvandt.org/VanDormael.pdf (1994)

Quelle: habr.com