Basis der Elektronik

Wenn es um bahnbrechende Erfindungen geht, steht der Transistor in einer Reihe mit dem Rad oder der Nutzung des Feuers. Denn kaum ein anderes Bauteil prägt heute unseren Alltag und unsere Zivilisation mehr als er. Ohne ihn gäbe es keine PCs, Notebooks oder Handys, kein Internet und auch keine andere Elektronik mit Mikroprozessoren. Computer von der Leistung eines Taschenrechners wären noch immer so groß wie ein ganzer Raum. Aber warum?

Schalter, Gleichrichter und Verstärker zugleich

Die meisten elektronischen Bauteile und Geräte basieren auf elektrischen Schaltkreisen: Sie regeln, ob ein Strom fließt und unter welchen Bedingungen. Dafür benötigt man jedoch Schalter, die elektrisch regelbar sind. Ein kleiner Steuerstrom bestimmt dabei, ob ein sehr viel höherer Strom fließt oder nicht. In Computern sind diese Schalter in Form von logischen Gattern zu Schaltkreisen kombiniert, durch die digitale Rechenoperationen erst möglich werden. Das geht jedoch nur, wenn diese elektronischen Schalter präzise kontrollierbar sind und extrem schnell und zuverlässig funktionieren.

Doch das ist nicht alles: Für viele technische Anwendungen müssen elektrische Signale auch verstärkt und modifiziert werden, beispielsweise bei der Erzeugung von Radar- oder Radiosignalen, in Lautsprechern, Mikrofonen und Bildschirmen oder auch bei der Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung. Auch dabei geht es darum, den resultierenden Stromfluss auf möglichst einfache und sparsame Weise elektrisch zu regulieren.

Die Ära der Vakuumröhren

Bis zur Erfindung des Transistors nutzte man für diese Aufgaben entweder mechanische Schalter in Form von Relais, die aber nur vergleichsweise langsam von einem Zustand in den anderen springen konnten. Oder es kamen die 1904 erfundenen Vakuumröhren zum Einsatz. Als sogenannte Trioden bestehen sie aus einem luftleer gemachten, länglichen Gefäß aus Glas, Stahl oder Keramik mit drei Elektroden. Wird zwischen Kathode und Anode eine Spannung angelegt, lässt sich der daraufhin fließende Strom durch das von der dritten, dazwischen liegenden Elektrode emittierte elektrische Feld regulieren.

Der Nachteil jedoch: Vakuumröhren sind relativ groß, gehen leicht kaputt und benötigen viel Strom für ihre Regelung. Die allerersten Computer füllten ganze Hallen, weil sie für ihre Schaltungen Schränke voller Vakuumröhren nutzten. Unter ihnen war der im Zweiten Weltkrieg von den Briten zur Entschlüsselung deutscher Nachrichten eingesetzte Dechiffrierrechner Colossus, aber auch der zur gleichen Zeit in den USA entwickelte erste Universalrechner ENIAC. Auch die damals verbreiten Röhrenradios ähnelten wegen ihrer unhandlichen Vakuumröhren eher Möbelstücken als mobilen Empfängern.

Ein weiterer Nachteil: Obwohl Röhren deutlich schneller schalten als mechanische Relais, ist auch ihre Schaltgeschwindigkeit begrenzt. Vor allem im Zweiten Weltkrieg wurde dies zunehmend zu Problem: Die immer leistungsfähigeren Radaranlagen des Militärs benötigten Gleichrichter und Verstärker, die im Gigahertzbereich schalten konnten.

Die Entdeckung der Halbleiter

Um diese Probleme lösen zu können, begannen Wissenschaftler und Ingenieure, nach einer Alternative zu den klobigen, anfälligen Vakuumröhren zu suchen. Dabei rückten Halbleiter immer stärker in den Fokus. Diese Materialien können sich je nach Temperatur, Beschaffenheit und Ausrichtung wie ein Nichtleiter oder Leiter verhalten.

Schon 1874 hatte der deutsche Physiker Ferdinand Braun entdeckt, dass diese kristallinen Feststoffe eine Art Gleichrichtereffekt zeigten: „Bei einer großen Anzahl natürlicher und künstlicher Schwefelmetalle […] habe ich gefunden, dass der Widerstand derselben verschieden war mit Richtung, Intensität und Dauer des Stromes“, beschrieb er den Effekt. Legte man eine Wechselspannung an, ließ das Material dadurch die Elektronen nur in einer Richtung durch, so dass am anderen Ende ein Gleichstrom herauskam.

Die Idee des Feldeffekt-Transistors

In den 1920er Jahren entwickelten Ingenieure auf Basis dieser Erkenntnisse die ersten Dioden auf Bleisulfid- und Kupferoxid-Basis. Sie wurden unter anderem in Radioempfängern verbaut. Der Physiker Julius Lilienfeld beschrieb bereits 1925 ein Bauteil, bei dem eine solche Halbleiter-Diode durch eine dritte Elektrode zu einer Triode analog den Vakuumröhren wird. Weil dabei das elektrische Feld den Stromfluss im Halbleiter beeinflusst, nannte er das System Feldeffekt-Transistor (FET).

Alle Versuche, solche Halbleiter-Trioden auch praktisch umzusetzen, scheiterten jedoch. Noch war einfach zu wenig über die physikalischen Vorgänge im Innern von Halbleitern bekannt. Zudem waren die damals verwendeten Metalloxid oder Metallsulfid-Halbleiter chemische Verbindungen und ihre kristalline Struktur und elektrischen Eigenschaften der schwankten herstellungsbedingt zu stark. War die Suche nach einem kristallinen Ersatz für die Vakuumröhren möglicherweise doch eine Sackgasse?