Die Geburt des Transistors

Transistoren sind überall. Der elektronische Baustein verstärkt Strom und sitzt in den Mikroprozessoren, die Smartphones und Computer antreiben. Er macht unsere digitale Welt erst möglich. Seine Erfinder waren die Physiker William Shockley, Walter Brattain und John Bardeen. Sie arbeiteten in den amerikanischen Bell-Laboratorien. Vor 75 Jahren fand dort die erste hausinterne Vorführung eines Transistors statt.

Unser Eingangsbild ist ein berühmtes Foto der modernen Wissenschaft. Es entstand im Juni 1948 am Arbeitsplatz der Herren, den Bell-Laboratorien in Murray Hill 30 Kilometer westlich von New York. Der 38-jährige Physiker William Shockley schaut durchs Mikroskop; er ist der Chef. Hinter ihm stehen sein zwei Jahre älterer Kollege John Bardeen und rechts Walter Brattain; er ist gleichfalls Physiker und 46. Hier kann man das Trio in Farbe sehen.

Das Foto feiert eine Entdeckung, die im Dezember 1947 geschah. Damals fanden Brattain und Bardeen bei Experimenten mit dem Element Germanium einen Verstärker-Effekt, der dem einer Triode glich. In einer solchen Elektronenröhre kann man mit einem schwachen Strom einen stärkeren steuern. Shockley und die beiden Entdecker führten am 23. Dezember 1947 das Germanium-Experiment den Managern der Bell-Laboratorien und einigen Kollegen vor. Das Datum gilt als Geburtstag des Transistors, des wichtigsten Bauteils der Elektronik.

Einfahrt zu den Bell-Laboratorien im Jahr 1942.

Der Transistor ist ein Thema der Festkörperphysik, die sich im 20. Jahrhundert parallel zur Elektronik entfaltete. Diese stützte sich in den Anfängen auf Elektronenröhren wie die Triode. Doch seit den 1920er-Jahren besaßen viele Rundfunkfreunde einen preiswerten Detektor-Empfänger. Er enthielt einen Kristall aus Bleiglanz oder Pyrit, der im Stromkreis des Radios als Gleichrichter diente. Dadurch machte er die Radiowellen ohne Verstärker hörbar.

Bleiglanz zählt zu den Halbleitern. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihr elektrischer Widerstand viel größer als der von Metallen ist, doch kleiner als der von Isolatoren; diese Eigenschaft führte zum Einsatz als Gleichrichter. Schon in den 1930er-Jahren untersuchten Industrieforscher, ob man nicht die Elektronenröhren durch Halbleiter ersetzen könnte. Unter anderem analysierten sie die chemischen Elemente Germanium und Silizium. 1936 startete auch in den Bell-Laboratorien ein Halbleiter-Team. Leiter war William Shockley.

Modell des Transistor-Experiments vom Dezember 1947.

Im Krieg ruhten die Arbeiten; 1945 gingen sie weiter. In jenem Jahr kamen der Theoretiker John Bardeen und der Experimentalphysiker Walter Brattain in die Gruppe. Ende 1947 stießen sie auf den erwähnten Effekt. Ihren Versuch zeigt, siehe oben, ein Modell das HNF. Hinter dem Spiraldraht erkennt man im Foto eine V-förmige Anordnung zweier Stromleiter. Sie sind aus Goldfolie und gehören zu zwei Stromkreisen. Die Spitzen der Leiter liegen etwa ein zehntel Millimeter auseinander und berühren ein Stückchen Germanium.

Fließt durch den einen Stromkreis ein schwacher Strom, so wirkt sich das auf den zweiten Kreis mit stärkerem Strom aus. Die Variationen des Schwachstroms verändern im gleichen Rhythmus den starken Strom. Trägt der erste Stromkreis ein Signal, dann kann dieses im benachbarten Stromkreis verstärkt entnommen werden. Die Ursache liegt im Halbleiter. Unter der Oberfläche fließen von der einen Spitze, dem Emitter, positive Ladungsträger zur zweiten Spitze, dem Kollektor. Die Basis ganz unten schließt die Stromkreise.

Grafik aus dem Transistor-Patent von Bardeen und Brattain (Nr. 2.524.035)

John Bardeen und Walter Brattain veröffentlichten ihr Resultat am 25. Juni 1948 in der Zeitschrift Physical Review. Eine firmeninterne Abstimmung hatte zuvor den Namen des neuen Verstärkers erbracht – Transistor. Am 30. Juni stellten ihn die Bell-Labs in New York der Presse vor. William Shockley wurde erwähnt und war auf den PR-Fotos zu sehen, er galt aber nicht als Erfinder. Nach der Entdeckung vom Dezember 1947 entwickelte er einen zweiten Typ, den Flächentransistor. Er wurde in den 1950er-Jahren zur Standardform.

Der Urtyp von 1947/48 wird Spitzentransistor genannt. Ab den Sechzigern  verbreitete sich der Feldeffekt-Transistor; sein Grundprinzip beschrieb schon 1925 der österreichische Physiker Julius Lilienfeld. Er findet sich in miniaturisierter Form in Mikrochips. Erwähnen müssen wir noch den Siemens-Forscher Walter Schottky, der in den 1930er-Jahren die theoretischen Grundlagen des Transistors schuf, sowie Herbert Mataré. Der deutsche Physiker war in Frankreich tätig und erfand 1948 ebenfalls einen Transistor.

Walter Schottky lieferte die Theorie für die amerikanischen Transistor-Versuche (Foto Siemens AG).

Das US-Erfindertrio blieb nach dem Erfolg von 1948 nicht lange zusammen. John Bardeen ging 1951 an die Universität von Illinois; William Shockley gründete 1956 in Kalifornien eine Firma. Nur Walter Brattain arbeitete bis zur Pensionierung in Murray Hill. Ende 1956 trafen sich die drei in Stockholm, um den Nobelpreis in Physik entgegenzunehmen. Bardeen erhielt 1972 einen zweiten für Forschungen zur Supraleitung. Mittlerweile sind alle drei verstorben. Und die Bell-Laboratorien gehören seit 2016 zu Nokia.

In den Wirtschaftswunderjahren trat der Transistor seinen Siegeszug um die Welt an. Wohl jeder kennt die Transistorradios; seltener und teuer waren Hörgeräte mit Transistoren. Heute ist der Geniestreich von Shockley & Co. längst Alltag. Unseren Lesern wünschen wir zum Schluss alles Gute für die Weihnachtstage. Wir melden uns dann am nächsten Freitag mit einem neuen Thema zurück.