Geschichte des Computings Teil 4: Transistoren – dank ihnen läuft dein Rechner

Ja, ich weiss, im letzten Teil habe ich versprochen über Grossrechner, Betriebssysteme und Programmiersprachen zu schreiben. Aber User Speznaz hat sich gewünscht, etwas mehr über Transistoren zu lesen. Da es soviel darüber zu schreiben gibt, habe ich mich kurzerhand dazu entschlossen, dem Transistor einen eigenen Teil zu widmen.

Transistor in Kürze

Entwickelt wurde der Transistor zwischen 1947 und 1948 von den amerikanischen Physikern John Bardeen, Walter H. Brattain und William B. Shockley. Die Transistoren lösten in den 1950ern die Elektronenröhren als Bit-Träger ab. Transistoren sind klein, erzeugen wenig Hitze, benötigen wenig Strom und sind sehr zuverlässig. Sie haben kleine, komplexe Schaltkreise erst ermöglicht.

Transistor ist ein Kofferwort und wird aus den beiden englischen Begriffen Transfer und Resistor gebildet. Der Name weist also bereits auf die grundlegende Funktion des Transistors hin. Dazu aber später mehr. Der Name wurde von Bell Labs Mitarbeiter und Science-Fiction-Autor John Robinson Pierce im Mai 1948 ins Leben gerufen. Die Entdecker des Transistoreffekts Bardeen, Brattain und Shockley wurden 1956 für ihre Entdeckung mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Vorarbeiten

Die Elektronenröhren sind gross, zerbrechlich, verbrauchen viel Strom und ihre Lebenszeit ist verhältnismässig kurz. Elektromechanische Schalter oder Relais sind langsam und unzuverlässig, weil sie häufig in der An- oder Aus-Position stecken bleiben. In Systemen mit tausenden Röhren stossen sie deshalb schnell an ihre Grenzen und müssen ständig überwacht werden, um Ausfälle zu verhindern.

Mit diesen Problemen sahen sich Entwickler von Computern in den 1940ern konfrontiert. Halbleiter boten sich deshalb als Alternative an. Die elektrische Leitfähigkeit von Silizium und Germanium liegt zwischen der von Nichtleitern wie Glas und Leitern wie Aluminium. Forscher haben bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt, dass die leitenden Eigenschaften von Halbleitern durch Beigabe von Unreinheiten manipuliert werden können.

Wie so oft war es militärische Forschung, die der Entwicklung des Transistors zum Durchbruch verhalf. In diesem Fall war es die Radar-Forschung. Überlagerungsempfänger werden zum Empfangen von Funkwellen benützt. Sie benötigen gleichgerichtete Dioden, die auf ultrahohen Frequenzen über einem Gigahertz operieren. Elektronenröhren schaffen das nicht.

Gleichrichter mit Silizium- oder Germaniumschicht sprangen in die Bresche. In diese Halbleitermaterialien werden zwei Wolframkabel gesteckt, welche wiederum mit Unreinheiten wie Boron oder Phosphor bestückt sind. Diese verdrängen Silizium- oder Germanium-Atome und erzeugen Träger wie Elektronen. Je nach Art der Ladungsträger oder der erzeugten Spannung kann Strom über das eine Kabel in die Silizium- oder Germaniumschicht einfliessen und über das andere abfliessen. Das geht auch umgekehrt, aber nie in beide Richtungen. Die mit solchen Gleichrichtern bestückten Überlagerungsempfänger konnten in Gigahertzbereichen arbeiten. Dadurch liess sich Mikrowellenstrahlung durch militärische Radarsysteme ausfindig machen.

Was hat das jetzt mit Transistoren zu tun?

Julius Edgar Lilienfeld beschrieb 1925 ein elektronisches Bauelement, das Eigenschaften einer Elektronenröhre aufwies. Die Führung der Bell Laboratories in den 1930ern - die ehemalige Forschungsabteilung der Telefongesellschaft AT&T - erkannte die Möglichkeiten von Halbleitern. Sie sollten Elektronenröhren und elektromechanische Schalter im Bell Telefonsystem ersetzen.

Erste Versuche zur Herstellung von Transistoren während des Zweiten Weltkriegs von William B. Shockley scheiterten. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Forschungsabteilung der Bell Laboratories restrukturiert und eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Shockley eingerichtet.

Shockley argumentierte, dass das elektrische Feld einer dritten Elektrode unterhalb der Halbleiterschicht die Leitfähigkeit dieser verstärkt. Dadurch soll genügend Strom durch die Schicht fliessen. Erste Versuche scheiterten aber erneut. Es war John Bardeen, ein Mitglied der Forschungsgruppe, der darauf hinwies, dass Elektronen, die durch das elektrische Feld zur Halbleiterschicht gezogen wurden, die Penetration dieser verhinderten.

Shockley und Bardeen haben auf Basis dieser Einsicht gegen Ende 1947 den Spitzentransistor entwickelt. Dieser funktionierte ähnlich wie die Halbleiter im Überlagerungsempfänger. Wird eine Spannung auf die Basis gegeben, beginnt der Strom über den Kollektor auf den Emitter zu fliessen. Der erste funktionierende Transistor war erfunden.

Falls du mehr über die Funktionsweise von diesen sogenannten Bipolartransistoren erfahren möchtest, kann ich dir den Artikel des Elektronik Kompendiums empfehlen.

In der Folge wurden Transistoren laufend weiterentwickelt. Bereits in den 1950er Jahren wurden die ersten kommerziell hergestellten Transistoren verkauft. Zunächst wurden sie vor allem in Hörgeräten und tragbaren Radios verbaut. Im laufe der Zeit wurden sie auch als Ersatz für Elektronenröhren in Computern verwendet. Gegen Ende der 50er Jahre hatten die Transistoren die Elektronenröhren beinahe komplett aus Computern verdrängt.

Siliziumtransistoren

Die ersten Transistoren bestanden aus Germanium. Dieses Material hat einen bedeutenden Nachteil. Es ist verhältnismässig wenig Spannung nötig um Elektronen durch den Transistor zu bewegen. Das ist auch Temperaturabhängig. Wenn Germanium-Transistoren eigentlich nicht Leiten sollten, kann es bei grösserer Wärme vorkommen, dass trotzdem Elektronen fliessen. Für Schaltungen in wärmeren Bereichen sind sie deshalb weniger geeignet.

Hier kommt Silizium ins Spiel. Aufgrund der höheren Schmelztemperatur sind sie besser für die Schaltung in wärmeren Bereichen geeignet. Das erkannte auch Texas Instruments und vertrieb ab 1954 Transistoren aus Silizium.

Eine weitere wichtige Weiterentwicklung für Computer waren MOS-Feldeffekttransistoren, genauer die CMOS. Diese wurden von Frank Wanlass 1963 entwickelt. Sie eignen sich besonders für integrierte Schaltkreise, weil sie einfach in der Herstellung sind. Gegen Ende der 60er Jahre begannen die MOS-Feldeffekttransistoren die Bipolartransistoren in der Herstellung von Mikrochips zu ersetzen. Seit den 80er Jahren sind sie Standard in digitalen Anwendungen. Bipolartransistoren werden vor allem in analogen Geräten verwendet.

Willst du mehr zur Funktionsweise von MOS-Feldeffekttransistoren erfahren, empfehle ich dir auch hier den Artikel des Elektronik Kompendiums.

Das war’s auch schon mit dem Abstecher in die Welt der Transistoren. Nächstes Mal liest du dann aber wirklich mehr zu Grossrechnern, Betriebssystemen und Programmiersprachen.