Transistoren, erste und Transistor-Radios, Halbleitertechnik

Transistoren - der Weg dazu - frühe Forschungen - andere Möglichkeiten - erste Anwendungen

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Dieser Thread erscheint bei Google vor dem viel besseren aber späteren Beitrag, den ich nun aus einem anderen Thread hier vorangesetzt habe. Hier finden Sie den ursprünglichen Beitrag erhalten, der für das 50jährige Jubiläum des Transistorradios gedacht war ...

Wenn Sie ein Mobiltelefon benutzen oder irgend ein kompliziertes, neueres Gerät, dann helfen Ihnen Halbleiter. Dasselbe gilt auch für die Waschmaschine, den Kochherd oder das Auto. Das war nicht immer so. Die ersten Mobiltelefone waren zum Beispiel mit Röhren bestückt - und entsprechend gross und schwer. Hier erfahren Sie etwas über die Geschichte der Halbleiter und der ersten Transistorradios.

Was ist ein Halbleiter?
Sie kennen sicher elektrische Leiter, allen voran den Kupferdraht, der alle Stecker, Schalter und elektrischen Geräte in Ihrer Wohnung oder Ihrem Haus miteinander verbinden. 
Isolatoren sorgen dafür, dass die Elektronen nicht irgendwo austreten können. Sich von der Stelle bewegende Elektronen machen den elektrischen Strom aus. Diese eher langsame Wanderung von Elektronen hat nichts zu tun mit der Lichtgeschwindigkeit der Fortpflanzung eines Impulses.

Sie können sich einen elektrischen Leiter mit einer langen Reihe von gleichen, aneinander gereihten Kugeln in einer Rinne vergleichen, an deren anderen Ende ein Loch ist. Wenn Sie der ersten Kugel einen Stoss geben, dann fällt die letzte Kugel fast gleichzeitig in das Loch - trotzdem haben sich alle anderen Kugeln nur sehr wenig von ihrem Platz entfernt. 
Genau so können Sie sich das beim elektrischen Strom vorstellen. Die Kugeln sind die Elektronen. Elektrische Leiter lassen einen Fluss zu, weil sie Elektronen nicht so stark binden. Nichtleiter zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Elektronenschalen vollständig gefüllt sind. Es gibt keine freien Plätze, also braucht es einen sehr grossen Aufwand, diese Verhältnisse zu ändern.

Eine dritte Gruppe nennen wir Halbleiter. Diese sind eigentlich Nichtleiter (Isolatoren), doch solche, die sich entweder durch Licht oder andere Energie wie Temperatur verändern lassen. Sie können auch Stellen mit «Verunreinigungen» aufweisen, die elektrischen Strom zu lassen, zumindest wenn eine gewisse Schwellspannung (Mindestspannung) gegeben ist. Strom fliesst sowieso nur bei einem Potentialunterschied zwischen den Elektronen.

Halbleiter nennt man einerseits solche Materialien, die man heute gezielt als Kristalle wachsen lässt (züchtet) - aber auch Bauteile aus diesen Materialien wie Dioden, Transistoren und ICs (Integrated Circuits).

Frühe Forschung bezüglich Halbleiter
Man hat sich zumindest im 19. Jahrhundert Gedanken um die Struktur von Kristallen gemacht. Für den deutschen Sprachraum ist zumindest Ferdinand Braun mit seinen systematischen Studien, veröffentlicht 1874 zu erwähnen. Man hat auch herausgefunden, dass gewisse Verbindungen wie Stahl-Karborundum unter gewissen Umständen einen Strom nur in eine Richtung fliessen lassen. Ab 1904 konnte man mit einer Elektronenröhre von Fleming die gleiche Wirkung erzielen.

Die Triode von Lee de Forest von 1907 hat auch gleichzeitig verstärkt, d.h. einen starken Sekundärstrom gesteuert. Etwa gleichzeitig hat man verschiedene Kristalle gefunden, die man zur Hochfrequenz-Gleichrichtung, also zum Empfang von Radiosignalen verwenden konnte. Man hat mit einer Metallspitze gute Stellen gesucht, doch die Anordnung war nicht sehr stabil. Beim Aufkommen des Rundfunks verwendeten teurere Radios die Triode von de Forest und billige Bleiglanz- oder andere Kristalle. Man nennt sie Detektor-Empfänger. Dabei verwendet man keine andere Spannungsquelle als die Spannung der Empfangsantenne.

Der Bedarf an verstärkenden Systemen war durch die langen Telefonleitungen geweckt - dringend. So arbeitete man zuerst mit mechanischen Verstärkern (elektromechanische Relais) von Brown in England, z.B. stark verbessert durch Siemens. Bald konnte man in den USA aber die Röhre einsetzen. 1913 hat AT&T in den USA mit der Triode von Lee de Forest ein von Küste zu Küste (3400 US-Meilen) gehendes Telefonnetz aufgebaut. Allerdings fand die Einweihung durch Theodore Vail, den Präsidenten von AT&T erst im Juli 1914 statt.

1914 werkelte man in Deutschland noch mit der Quecksilberdampf-Röhre des von Lieben, während Frankreich dank einem Muster der Triode von de Forest eine einendige und mit Stiftsockel versehene Hochvakuum-Röhre entwickelte. Von Lieben hatte im Dezember 1910 mit ausdrücklicher Erwähnung von Lee de Forest die Triode zur Verstärkung von Telephonie angemeldet. Die praktischen Anstrengungen gingen aber in die falsche Richtung und waren eigentlich erfolglos. Noch erfolgloser war das Elektronenstrahl-Relais von 1906, an dem er bis Ende 1910 festhielt. Viele Sammler verwechseln diese beiden komplett verschiedenen Entwicklungen von Lieben's.

In den 20er Jahren, als man den Aufbau der Atome besser kannte, begann die wissenschaftlichen Erforschung der Halbleiter. Allen voran befasste sich Karl Lark-Horowitz an der Purdue Universität in den USA. Lark-Horowitz hat nach der Heirat den Namen der Frau vorangestellt. Er stammte als Horowitz aus Wien (1892 Wien - 1958 Purdue) und war im ersten Weltkrieg Nachrichtenoffizier. Durch die Unterstützung der Rockefeller Foundation konnte Horowitz 1928 die Stelle als Professor in Purdue besetzen. Er konnte sich dort voll mit der Erforschung des Germaniums und anderen kristallinen Elementen befassen. A.H. Wilson veröffentlichte 1931 die theoretischen Prinzipien und 1938 veröffentlicht Walter H. Schottky seine Diffusions-Theorie - nach der man dann die "schnellen" Schottky-Dioden baut.

Mit der praktischen Umsetzung von Radar war es den Engländern gelungen, den Luftkrieg über England trotz starker Übermacht für sich zu entscheiden. Eine Invasion wäre sonst die Folge gewesen. Beim zweiten Weltkrieg war es entscheidend, den Gegner früher zu sehen, als der einem selbst. Das sowohl bei Schiffen wie auch bei Flugzeugen. Besonders für Flugzeuge wollte man möglichst hohe Frequenzen erreichen, um die grossflächigen Antennen zu verkleinern.

Die Engländer haben darum sofort ihr Know-how über Radar mit der USA geteilt. Festkörper-Dioden haben beim Radar die Aufgabe, das zurück kommende Signal in einen Gleichstrom für die Anzeige auf dem Bildschirm zu wandeln, sind aber auch als Diodenmischer im Einsatz. Sie waren oft von der hohen Frequenz und hohem (Gegen-) Strom überfordert und verbrannten, weshalb man die Forschung in Purdue, Bell Labs, MIT und der Universität von Chicago miteinander koordinierte. Man lernte, geeignete Kristalle besser zu «züchten» und zu dotieren.

Durch Dotierung mit Spuren von Zinn bei Germanium konnte die Gruppe um Lark-Horowitz etwa 1942-43 eine Verzehnfachung der Spannung erreichen. Mehr per Zufall hat das der Student Seymour Benzer in Purdue entdeckt, weil er mehr als ein Jahr mit Germanium Versuche durchführte. Ab dann hat man sich in der Forschung auf Germanium konzentriert.

Konkrete Schritte zum Transistor
1945, also direkt nach dem Krieg, hat aber auch Mervin Kelly, der Chef von AT&T erkannt, dass man die Verstärkerröhren ersetzen können sollte, denn die Entwicklung war nicht mehr viel weiter zu treiben. Er vermutete, dass Halbleiter eine Lösung bringen könnten und liess im August eine Abteilung für Halbleiterforschung (Solid State Physics Group) aufbauen. Verantwortlich wurden William Shockley und der Chemiker Stanley Morgan. Dazu kamen noch weitere Forscher vom Bell Laboratorium wie Walter Brattain, Robert Gibney und Gerald Pearson, wie auch etwas später John Bardeen. Shockley wandte sich mit seiner Gruppe vor allem der Halbleiter-Forschung zu, wo er die Arbeiten aus den 30er Jahren von Frederick Seitz und Eugene Wigner weiter trieb.

Am 17. November 1947 hatte Walter Brattain eine Experimentier-Anordnung für einen Halbleiter-Verstärker ins Wasser gelegt, statt via Vakuum zu arbeiten, um eine gewisse Sättigung zu verhindern, die Versuche immer wieder zunichte machte. Damit erhielt er die beste Verstärkung. Die Idee war ja, dass man nicht nur eine gesteuerte Diode, sondern ein verstärkendes Element erreichen wollte.

Robert Gibney hat dann verschiedene Spannungen versucht. Am 21. November empfahl John Bardeen eine Metallspitze, umgeben von destilliertem Wasser in das Silikon zu bringen. So erzielte schliesslich Brattain eine kleine, aber messbare Verstärkung. Sie versuchten es mit verschiedenen anderen Materialien statt mit Wasser. Damit liess sich ein wesentlich grösserer Erfolg erzielen, doch ganz anders als erwartet. Die Anordnung war nicht einmal für eine Sprachfrequenz tauglich. Man dachte, dass das Elektrolyt, die Flüssigkeit also, das Problem war und versuchte es am 12. Dezember schliesslich mit Germaniumoxyd (grün). Erst nachdem Brattain seine Goldkontakte mehrmals auf das Material presste - und dabei Vertiefungen entstanden, erhielt er eine Verstärkung, die bei Tonfrequenzen funktionierten. Allerdings waren an diesen Stellen keine Oxyde mehr vorhanden.

Mit einer Anordnung von einem Stück Germanium und zwei punktförmigen Goldkontakten, platziert mit einem Plastik in einem Bruchteil von einem Millimeter auseinander, hatten Bardeen und Brattain einen eigentlichen elektronischen Solid-State-Verstärker erreicht. Erst einige Tage später, nach verschiedensten Versuchen, gaben sie am 23. Dezember eine Vorführung für Shockley und weitere wichtige Leute. Mehr als eine Woche hatten sie ihr Experiment geheim gehalten, auch vor Shockley.

Es war nach der Vorführung allen klar, dass Shockley keinen Anteil an dieser Erfindung haben sollte, denn er war nicht direkt daran beteiligt. Bell verweigerte sogar, dass der Name von Shockley auf dem Patent erscheinen sollte. Shockley verbrachte darauf einige Tage - enttäuscht und traurig - allein, denn schliesslich war es eigentlich seine Idee. So studierte er an grundsätzlichen Verbesserungen: Er wollte einen Halbleiter mit drei Ebenen bauen - damit die mittlere Lage ähnlich des Gitters einer Röhre den Strom steuern sollte. Während seine Gruppe den gefundenen Weg verbesserte, arbeitete er allein an einer ganz anderen Lösung. Tatsächlich sprach sich bald herum, dass der Punkt-Kontakt-Transistor viel Rauschen erzeugte und nicht stabil war.

Am 23. Januar kam er darauf, die beiden äusseren Lagen mit zuviel und die innere Lage mit zu wenig Elektronen zu dotieren (N-Typ). Den mittleren Teil wollte er dann mit einer Steuerspannung belegen, um den Elektronen von den äusseren Teilen den Weg in Abhängigkeit der Ladung mehr oder weniger zu öffnen. Bei ihm verlaufen die Elektronen im Innern des Materials, beim anderen Aufbau entlang dem Oxyd aussen. Am 18. Februar konnte Shockley sehen, dass die Anordnung funktioniert, denn Joseph Becker und John Shive hatten mit einem anderen Experiment gezeigt, dass man den Strom auch durch den Halbleiter fliessen lassen kann, was Richard Haynes schliesslich mit genauen Messresultaten belegen konnte. Heynes entdeckte auch, dass das mittlere Teil besonders dünn und rein sein muss. Jetzt machte Shockley seine Anordnung publik, was wiederum Brattain und Bardeen verärgerte.

Gordon Teal fand den besten Weg, die geforderten Kristalle zu züchten und forderte, dass man statt drei Kristalle zu verbinden einen mit allen drei Lagen züchten sollte. Im März 1949 akzeptierte auch Shockley diesen Weg, denn mit dieser Methode funktionierte die Anordnung mehr als hundert mal länger.

Am 23. Juni 1949 konnte man die Erfindung von Shockley dem Militär vorführen - und da dieses die Erfindung nicht als militärisch wichtig unter Verschluss nehmen wollte, konnte man nach einer Woche eine öffentliche Demonstration abhalten. Aber erst am 12. April 1950 kann man Kristalle in Sandwich-Bauweise züchten, und zwar schon als N-Type oder P-Type. Noch immer hatte man aber mit Sprachverstärkung Mühe und erkannte, dass der mittlere Teil noch dünner sein müsste. Im Januar 1951 fand Morgan Sparks auch den Weg dazu. Die innere Lage war dann dünner als ein Blatt Papier. Im Juli 1951 konnte Bell schliesslich der Presse einen in der Praxis anwendbaren Transistor präsentieren.

Natürlich war es Bell Labs klar, dass es nicht genügte, diese Erfindung nun selbst auszuschlachten. Darum organisierte Bell Labs im September 1951 ein Symposium, um zu zeigen, was man mit dem Transistor anstellen könne. Man vergab schliesslich gegen Lizenz die Rechte an der Produktion an 26 Firmen. Darunter grossen wie IBM, General Electric und Siemens - aber auch kleinen Firmen wie der damals fast unbekannten Texas Instruments (TI). Für diese Lizenznehmer gab es im April 1952 ein Symposium. Bell Labs führte alle Erfahrungen aus diesem Symposium im Buch «Transistor Technology» zusammen.

Wie in CQ DL 12/97 zu lesen ist, war man bei Philips in Eindhoven eine Woche nach der Bell-Entdeckung in der Lage, Transistoren herzustellen, wie auch die britische GEC nach einer weiteren Woche. Davor gab es während Jahrzehnten Versuche und Erkenntnisse, die aber lediglich die Halbleiter-Diode verbesserten. Nach der Realisierung des Transistors gab es in rascher Folge Fortschritte bis hin zum MOSFET von 1960 und weiteren Spezialtypen.

Frühe praktische Anwendungen
Klar war das erste Ziel, viel stabilere und bessere Telefonverstärker zu entwickeln. Klar war auch, dass man mit dem Transistor bessere Computer bauen könnte. Röhren haben eine kürzere Lebensdauer und einen viel grösseren Stromverbrauch, also hohe Wärmeabgabe. So brachte IBM 1953 mit dem Modell 604 und 1957 mit dem Modell 608 erste Transistorisierte Computer. Da kostete eine Röhre 75 cents und ein Transistor 8 $ [ history.sandiego.edu/gen/recording/notes.html ]. Gemäss Hannon Yourke, dem Entwickler der ECL-Technik (emitter coupled logic) bei IBM benutzten 1959 die IBM 7090 und 1961 die Stretch seine neue Technik [www semiconductormuseum.com]. Zumindest die legendäre IBM 1401 von 1959 hatte eine Art IC's, in Form von je nur einigen Transistoren pro IC, während bei der IBM 608 noch je 6 Transitoren, frei in Sockel gesteckt, eine Karte belegten. Der Sache war noch nicht ganz zu trauen.

Zenith ist im Oktober 1953 gemäss Geschäftsbericht mit der transistorisierten, röhrenlosen Hörhilfe Royal-T auf den Markt gekommen. Allgemein suchten die Lizenznehmer aber noch nach Anwendungen für Massenware. Besonders für die kleine Texas Instruments waren die Lizenzgebühren von 25'000 Dollar - zum damaligen Wert - eine Ausgabe, die man wieder einbringen musste. Grundsätzlich konnte man Röhren ersetzen, doch nicht für höhere Frequenzen. Zudem war der Transistor noch sehr teuer - und man benötigte oft mehr Transistoren als Röhren für eine Aufgabe.

Arten von Transistoren
1947 entstand der Spitzentransistor durch Bardeen und Brattain (Point Contact Transistor). Er war immer etwas mit Problemen behaftet, konnte aber auf Anhieb höhere Frequenzen bewältigen. Doch bald wurde er ersetzt durch den Flächentransistor (Junction Transistor) von Shockley (Februar 1948). Beides waren anfänglich Germanium-Transistoren, bis man die gleiche Anordnung in Silizium (Silicon) erstellen konnte. Anfänglich hatte man die Schichten übereinander gebracht und rund herum in Form gebracht, was man Planar-Transistoren nennt oder wenn eindiffundiert auch diffusion-Planar-Transsitoren. Danach kam die Mesa-Technik (Tafelberg/Tisch).

Vor allem gab es wichtige weitere Varianten von Halbleiter-Aktiv-Bauteilen - bis hin zu hochkomplexen IC's. Das sprengt diesen Rahmen, doch als Beispiele hier die wichtigsten Weiterentwicklungen: Uni-Junction-Transistor, Overlay-Transistor, Fototransistor, Thyristor, Triac, Darlington-Transistor etc. Spezialentwicklungen wie die Interdigital-Transistor-Anordnung, zB 256 Einzeltransistoren in einer wie Finger verschränkten Struktur ergaben Overlay-Typen, z.B. für 4W bei 400 MHz etc.

Für verschiedene Applikationen sehr wichtig der Feldeffekt-Transistor (FET), der sich "röhrenähnlich" verhält, auch als V-FET (Vertical FET) gebaut, als JFET (Sperrschicht (bzw Junction-) FET) und schliesslich als MOS-FET. Diese gibt es als N-channel und P-channel Typen; sowie bei beiden Enhancement- (Anreicherungs-) und Depletion-(Verarmungs-) Typen. Erstere sperren ohne Signal, letztere leiten ohne Signal.

Man kann sich vorstellen, was für ein Wildwuchs an Bezeichnungen entstanden wären bei den wohl mehr als hundert tausend verschiedenen Arten und Werten von Halbleiter-Bauelementen.
Nach den ersten Jahren hat man sich in den USA und Japan je zu einem verschiedenen Bezeichnungsschema geeinigt:  Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC).
Japanese Industrial Standard (JIS). Dazu gibt es das Schema «Pro-electron» und zahlreiche proprietäre Bezeichnungen, wo Firmen die Art des Transistors nicht offenlegen wollten, damit man bei ihnen beziehen muss. Die Bezeichnungen findet man in Vergleichsbüchern - oder auch hier: gae.ucm.es/~padilla/extrawork/transistor.html .

Integrierte Schaltkreise
Es blieb nicht beim Transistor. Texas Instruments liess im Februar 1959 durch Jack Kilby das erste Solid State IC patentieren und im Oktober war das erste Germanium-IC fertig. Im Dezember 1963 kam das erste Hörgerät mit IC auf den Markt und 1966 der erste Fernseher, KCS153X von RCA sowie das erste IC-Radio, P1740 von General Electric. Ausserhalb der USA sind die ersten IC-Radios Modell IC2000 von Philips sowie ICR-100 und ICR-200 von Sony. Interessante Erklärungen dazu finden sich in der Funkgeschichte Nr. 86 (1992) von Otto Künzel, der dort auch auf den TV "Sevilla" von Blaupunkt eingeht (Vorstellung Hannover-Messe 1967). Das wäre also einen speziellen Beitrag wert ... 

Weiter patentierte 1971 Gilbert Hyatt von Micro Computer Co. den Mikroprozessor und Ted Hoff von Intel stellte im Februar den 4-bit-Prozessor 4004 mit immerhin 2300 Komponenten vor. 1969 startete man das ARPANET, den Vorgänger von Internet. So sehen wir vorher unvorstellbare Anwendungen innert 20 Jahren kommen. Auch Windows und die Maus waren da nicht weit weg: Eine Entwicklung von Xerox inkl. Ethernet-Karte für das Netzwerk - 1974. 1975 konnte man den Altair kaufen, den ersten «Personal Computer» - als Bausatz - und Steve Jobs und Steve Wozniak brachten im Jahr darauf den ersten Apple. Erst 1981 kam IBM (in den USA, Europa 1982) mit dem «Personal Computer» auf den Markt.

Transistor-Empfänger
Zurück zu den Radios: Da gab es einen Vorreiter, Regency (USA) und eine kleine Firma, die voll auf die neue Möglichkeit setzte, Sony (Japan). Für Reiseradios konnten sich auch teure Transistoren schnell rechnen, denn Transistoren sind viel kleiner - vor allem benötigen Röhren grosse Energien für die Heizung der Kathode. Die Lizenznehmer suchten nach Anwendungen für Massenanwendungen, also entstanden früh schon Projekte und Muster für Radios - nicht alle kamen zur Serienreife. TI fand eine kleine Firma, die bereit war, mit TI-Transistoren ein Transistor-Radio zu realisieren. Allerdings hat Regency nach dem Bau von einigen Mustern auf ihren eigenen Bauplänen bestanden. Das Gerät kam am 18. Oktober 1954 als Regency TR-1 (TR1) auf den Markt. Es verwendet vier Germanium-Transistoren und misst 12,5 cm (5 x 3 x 1,25 Zoll). Eine 22,5-Volt-Batterie spendet mehr als 20 Stunden Musik, während teurere Batterien einem Röhrenradio nur einige Stunden Musik entlockten. TI hatte ihren Publikums-Aufhänger und konzentrierten sich auf transistorisierte Taschenrechner. Details über I.D.E.A. (IDEA) bzw. Regency finden Sie bei home1.gte.net/dpies/regencytr1/Regency_Early_Years.html

Regency baute bis 1960 (TR-99) Transistorradios. Vom TR-1 (TR1) gab es immerhin mehr als 100'000 Stück. Die Empfangs- und Wiedergabe-Eigenschaften waren viel schlechter als beim im Februar 1955 auf den Markt gekommenen Raytheon 8TP-1 zu 80 $ mit acht Transistoren. Bald folgten Zenith mit Royal 500, Emerson mit 842, RCA mit 7-BT-9J und 7-BT-10K sowie z.B. General Electric mit Modell 675. Diese Kleingeräte machten die Jugend in der Rock and Roll-Zeit unabhängig vom Apparat der Eltern.

Ein ganz kleiner Tonbandgeräte-Hersteller in Japan, Tokyo Tsushin Kogyo, gegründet von Ibuka und Akio Morita arbeiteten nicht viel später als Regency an einem Transistor Radio. Da sie dabei vor allem an den amerikanischen Markt dachten, suchten sie nach einem dort aussprechbaren und ansprechenden Namen. «Sonny Boy» nannte man dort in dieser Zeit junge erfolgreiche Amerikaner, also fand man den Kunstnamen SONY. Der Sony TR55 kam zu $ 49.95 in 7 verschiedenen Farben im April 1955 auf den Markt plus in einigen Kleinauflagen in besonderen Farben. Der TR-55 kam eigentlich nur in Japan zum Verkauf und der Nachfolger aus Holz, der TR-72 vor allem in Kanada (Gendis). Das dritte Modell, Sony TR-6 verwendete als erstes den Mitsumi Drehkondensator.

Erst im März 1957 gibt es einen wirklich kleinen und viel verkauften Apparat, den TR-63 mit noch kleinerem Nachfolger, dem TR-610. Der TR-610 verkaufte sich nahezu eine halbe Million Mal. Sie kennen die weitere Geschichte von SONY und die der Transistorgeräte, denn auch bei den Heimradios kamen etwa 10 Jahre danach mehr und mehr die Transistoren auf und schliesslich auch bei den Fernsehempfängern, wo nun nach und nach auch die Bildröhre verschwindet. Es ist zu beachten, dass es auch andere frühe Transistorradio-Hersteller gab.

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