Ohne die Halbleiter Germanium und Silizium wäre der Transistor nie erfunden worden. Denn erst die elektronischen Eigenheiten dieser kristallinen Feststoffe machten seine Entwicklung und die vieler andere elektronischer Bauteile möglich. Die Halbleiterindustrie ist heute nicht umsonst ein weltweit umkämpfter und milliardenschwerer Markt.
Auf die Bandlücke kommt es an
Seinen Anfang nahm der Siegeszug der Halbleiter Ende der 1930er Jahre. Damals entschlüsselten Physiker erstmals, was in einem Halbleiter auf atomarer Ebene passiert und warum er den Strom mal leitet und mal nicht. Sie stellten fest: Die Elektronen in diesen Materialien sind nicht von vornherein frei beweglich wie in Metallen. Stattdessen benötigen die Halbleiter-Elektronen erst eine gewisse Energiezufuhr, um in den angeregten, mobilen Zustand zu gelangen.
Diese sogenannte Bandlücke zwischen dem nichtleitenden Valenzband und dem mobilen Leitungsband liegt bei Halbleitern zwischen 0,1 und vier Elektronenvolt. Durch Zufuhr von Energie in Form von Wärme, Strahlung oder elektrischem Strom können Elektronen im Hableiter diese Bandlücke überwinden. Materialien, deren Atome vier Valenz- oder Außenelektronen besitzen, haben dabei besonders günstige Halbleiter-Eigenschaften. Zu diesen gehören neben chemischen Verbindungen wie Cadmiumsulfid oder Galliumarsenid auch die Elemente Silizium und Germanium.
Gezielte Verunreinigung
Eine weitere wichtige Erkenntnis: Wenn man Fremdatome in das Kristallgitter von Germanium oder Silizium einschleust, kann man ihre elektronischen Eigenschaften gezielt modifizieren. Diese Dotierung bewirkt je nach Art der Fremdatome einen lokalen Überschuss an Elektronen (n) oder positiv geladenen Leerstellen (p) im Kristallgitter. Diese lokalen Ladungsüberschüsse verkleinern die Bandlücke und können so die lokale Leitfähigkeit im Halbleiter erhöhen.
Bis nach dem Zweiten Weltkrieg fehlte jedoch die entscheidende Voraussetzung für die Herstellung maßgeschneidert dotierter Halbleiter: Man konnte keine Silizium- und Germaniumkristalle mit ausreichender Reinheit erzeugen. Erst durch Fortschritte in der Kristallzüchtung änderte sich dies und Halbleiter mit 99,999 Prozent Reinheit standen zur Verfügung.
Shockley und der erste Transistor-Versuch
Dies löste einen Schub an Experimenten mit dotierten Germanium- und Silizium-Halbleitern aus -unter anderem in den berühmten Bell Laboratories in New Jersey, der Forschungseinrichtung eines großen US-Telefonunternehmens. 1945 initiierte der damalige Vizeleiter der Bell Labs, Mervin Kelly, ein Forschungsprogramm mit dem Ziel, endlich einen Halbleiter-basierten Ersatz für die Vakuumröhren zu entwickeln. Als Leiter der interdisziplinären Arbeitsgruppe engagierte er den Physiker William Shockley und den Chemiker Stanley Morgan.
Im Rahmen dieses Projekts experimentierten Shockley und sein Team zunächst mit Kombinationen von zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten. Ähnlich wie schon von Lilienfeld vorgeschlagen, nutzten sie ein externes elektrisches Feld in Form einer dritten Elektrode, um den Stromfluss zwischen zwei Elektroden – Source und Drain – im Material zu beeinflussen. Die regulierende Gate-Elektrode sitzt bei einem solchen System in einem anders dotierten Bereich des Halbleiters als die Drain- und Source-Elektroden: Liegen sie in einem p-dotierten Bereich, sitzt die Gate-Elektrode in einem n-dotierten Bereich.
Wird nun Spannung an die Gate-Elektrode angelegt, entsteht in ihrem Bereich eine lokale Sperrzone, die den Stromfluss zwischen den anderen beiden Elektroden einengt und reguliert. Wie ein Schleusentor steuert die Ausdehnung des nichtleitenden Sperrbereichs damit den Stromfluss zwischen Source- und Drain-Elektrode. Dieser einfachster aller Feldeffekttransistoren wird als heute als Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) bezeichnet.
Beiderseits des Atlantiks
Shockley und seinem Team gelang es 1945, einen solchen Sperrschicht-Feldeffekttransistor auf Basis von Germanium umzusetzen – allerdings blieb der modulierende Effekt des externen Felds zu schwach, um das System praktisch nutzbar zu machen. Shockley bat daher zwei Mitarbeiter seiner Halbleiter-Forschungsgruppe, John Bardeen und Walter Brattain, das Problem näher zu untersuchen. Er selbst wandte sich zunächst anderen Forschungen zu.
Zur gleichen Zeit arbeiteten jenseits des Atlantiks zwei deutsche Physiker am gleichen Problem: Heinrich Welker und Herbert Mataré experimentierten ebenfalls mit Vorläufern des Sperrschicht-Feldeffekttransistors – und auch sie konnten im Jahr 1945 das Prinzip erstmals praktisch umsetzen. Wie bei Shockley und seinem Team blieben die erhofften Effekte aber noch zu gering.
Beide Teams arbeiteten nun unabhängig voneinander und ohne von der Arbeit der jeweils anderen zu wissen an einer besser funktionierenden Transistortechnologie…
