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Technik

Das Sandwich-Prinzip

William Shockley und der Bipolartransistor

Der Ende 1947 von den beiden US-Physikern John Bardeen und Walter Brattain erfundene Spitzentransistor war ein wichtiger Durchbruch – aber als Arbeitspferd der Elektronik und Basis der ersten Computer eignete er sich noch nicht. Denn die dünnen „Point-Contact“-Elektroden waren relativ fragil. Die entscheidenden Ladungsträger in diesem Transistor strömten zudem nur in einer kleinen Zone auf der Oberfläche des Halbleiters, statt den gesamten Raum zu nutzen – das grenzte die Verstärkerwirkung ein.

Bardeen Shockley und Brattain
John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain im Jahr 1948. Zusammen gelten sie heute als „Väter des Transistors“.© AT&T/ historisch

Shockleys Sonderweg

Dies änderte sich mit einem Transistor, der nur ein halbes Jahr später ebenfalls in den Bell Labs in New Jersey entstand: dem flächigen Bipolartransistor (Bipolar Junction Transistor, BJT). Er wurde von William Shockley entwickelt, der schon 1945 mit dem ersten Feldeffekttransistor experimentiert hatte, aber damit zunächst gescheitert war. Als Brattain und Bardeen ihren Spitzen transistor vorstellten, blieb Shockley zunächst außen vor. Er war nicht direkt an dessen Entwicklung beteiligt und wurde auch im Patent für den ersten Transistor nicht als Miterfinder genannt – zu seinem Unmut.

„Meine Begeisterung über den Erfolg unserer Arbeitsgruppe wurde dadurch geschmälert, dass ich nicht einer der Erfinder war“, erzählte er später in der Rückschau. „Ich war frustriert, dass meine eigenen Bemühungen, die damals immerhin schon seit acht Jahren liefen, zu keiner signifikanten Erfindung geführt hatten“. Doch das sollte sich ändern.

Schon einige Monate zuvor hatte sich Shockley eingehender mit der Physik der pn-Übergänge in Halbleitern beschäftigt – den Prozessen, die an der Grenze zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Halbleiterzonen ablaufen. Der Physiker suchte dabei nach einer Möglichkeit, den Ladungstransport in einem solchen Bauteil über die kleine Oberflächenzone hinaus auszudehnen. An Silvester 1947 entwarf Shockley in einem Hotelzimmer in Chicago die erste Version eines Transistors, der genau dies erreichen sollte.

Gestapelte Schichten…

Das grundlegend Neue daran war, dass der Physiker drei Germaniumschichten so kombinierte, dass sie ein Sandwich bildeten: Zwei p-dotierte Schichten schlossen eine dünne n-Schicht ein oder umgekehrt. Legt man bei einem solchen Flächentransistor eine Spannung an der dünnen Zwischenschicht an, senkt dies die Barrieren an den np-Übergängen des Halbleiters. Dadurch können Elektronen nun ungehindert von einer n-Zone zur anderen fließen, die positiv geladenen Löcher aus der p-Schicht bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung.

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Bipolartransistor
Funktionsprinzip eines Bilpolartransistors: Im Ausgangszustand wirken die beiden np-Übergänge als Sperre. Wird an der Basis eine Spannung angelegt, senkt dies die Barrieren und Elektronen fließen vom Emitter zum Collector und positiv geladene „Löcher“ aus der Basis zum Emitter.© Inductiveload/ gemeinfrei

Durch dieses Funktionsprinzip erreicht der flächige Bipolartranistor eine deutlich größere Verstärkungswirkung als der Spitzentransistor und ist gleichzeitig erheblich robuster. Am 30. Juni 1948 stellte Shockley seinen Transistor in einer Pressekonferenz der Öffentlichkeit vor, wenige Tage zuvor hatten die Bell Labs ihn zum Patent angemeldet.

…bringen den Durchbruch

Obwohl der Bipolartransistor nicht der erste funktionsfähige Transistor war, brachte er der Halbleitertechnik den Durchbruch und ebnete der modernen Elektronik den Weg. Die robusten und dank neuer Kristallzüchtungsmethoden gut standardisierbaren Bauteile wurden schon bald überall dort eingebaut, wo man schnelle Schaltungen oder eine große Verstärkung benötigte. Shockley erhielt für seinen Bipolartransistor im Jahr 1956 gemeinsam mit Bardeen und Brattain den Physik-Nobelpreis.

Zusammen haben die drei Physiker einen Innovations-Schub in Gang gesetzt, der die Technik für immer verändern sollte. „Die Entdeckung des Transistors hatte enorme Auswirkungen auf unser Leben und Arbeiten, sowohl intellektuell als auch im kommerziellen Sinne“, konstatieren Michael Riordan von University of California in San Diego und seine Kollegen in einem Review-Artikel. Denn erst sie ermöglichten die Miniaturisierung der Elektronik und die Computertechnologie.

Für den Beginn des Computerzeitalters fehlte allerdings noch immer ein entscheidender Schritt…

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

75 Jahre Transistor
Wie ein Halbleiter-Bauteil unsere Welt veränderte

Basis der Elektronik
Von der Vakuumröhre zur Transistor-Idee

Die ersten Ansätze
Halbleiter, Bandlücken und der Feldeffekt

Der Durchbruch
Brattain, Bardeen und der erste Transistor

Das Sandwich-Prinzip
William Shockley und der Bipolartransistor

Aufbruch ins Silizium-Zeitalter
Ein Halbleiter verändert die Welt

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