Der unglaubliche Schrumpftransistor

In den Bell Telephone Laboratories befestigten die Physiker John Bardeen und Walter Brattain am 16. Dezember 1947 drei dünne Metallkontakte an einem dünnen Splitter des Elements Germanium, legten ein elektrisches Signal an und entdeckten, dass das von ihrem Gerät ausgehende Signal fast hundertmal stärker war als der, der eingeführt wurde. Der neue Halbleiterverstärker, der bald als Transistor bezeichnet wurde, wurde eine Woche später den Führungskräften von Bell Labs vorgestellt und war ein großartiges Weihnachtsgeschenk, wie der Leiter der Forschungsgruppe William Shockley, der nur einen Monat später konzipierte, eine verbesserte Version, die sich schließlich als viel einfacher herzustellen erwies.

Fünfzig Jahre später sind Transistoren so stark geschrumpft, dass sie mit bloßem Auge nicht mehr sichtbar sind. Als entscheidende Bestandteile jedes Mikrochips, die als mikroskopisch kleine Pumpen und Ventile fungieren, die den Stromfluss regulieren, haben diese winzigen Geräte jedoch weiterhin einen enormen Einfluss auf fast jeden Aspekt des modernen Lebens.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 1997



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Damals war offensichtlich, dass Bardeens und Brattains unhandliche Vorrichtung einen Durchbruch in der Elektronik darstellte. Aber seine Erfinder betrachteten es hauptsächlich als Ersatz für Vakuumröhren, die als Verstärker und Schalter in Telefonanlagen, Radios und den meisten anderen elektronischen Geräten verwendet wurden. Shockley hatte vielleicht die beste Intuition für das, was kommen würde. In letzter Zeit sei viel über elektronische Gehirne oder Rechenmaschinen nachgedacht worden, spekulierte er im Dezember 1949. Mir scheint, in diesen Robotergehirnen ist der Transistor die ideale Nervenzelle.

Der physikalische Prozess, den Bardeen, Brattain und Shockley jetzt entdeckt haben, liegt im Herzen einer Elektronikindustrie, die weltweit einen Jahresumsatz von mehr als 1 Billion US-Dollar erwirtschaftet. Der größte Wert des Transistors besteht darin, dass er so drastisch miniaturisiert werden kann: Seine grundlegenden Funktionsprinzipien sind im Wesentlichen unverändert geblieben, da seine linearen Abmessungen um mehr als das 10.000-fache geschrumpft sind. Im Gegensatz dazu hatten Vakuumröhren absolut keine Aussicht auf eine erstaunliche Miniaturisierung, die in Halbleiterbauelementen stattgefunden hat. Und die anderen Probleme der Röhren – sie waren stumpf, brannten zu oft aus, erzeugten zu viel Wärme und verbrauchten zu viel Strom – erwiesen sich als völlig unüberwindbar.

Die ersten Transistoren waren typischerweise einen Zentimeter lang; Ende der 1950er Jahre wurden sie in Millimetern gemessen. Mit der Erfindung des integrierten Schaltkreises im Jahr 1958 wurde die Bühne für eine ständige Parade weiterer Innovationen geschaffen, die die Größe von Transistoren auf Submikrometer-Niveau reduzierten – weniger als ein Millionstel eines Meters. Heute ist der Transistor kaum mehr als ein abstraktes physikalisches Prinzip, das unzählige Male auf schmalen Siliziumsplittern eingeprägt ist – Millionen mikroskopischer Wellen auf einem schimmernden Kristallmeer. Wie Intels Mitbegründer Gordon Moore kürzlich feststellte, werden jedes Jahr mehr Transistoren hergestellt, als Regentropfen auf Kalifornien fallen, und die Herstellung eines Transistors kostet weniger als das Drucken eines einzelnen Zeichens in einer Zeitung.

Die Synergie zwischen einer neuen Komponente und einer neuen Anwendung führte zu einem explosiven Wachstum beider, beobachtete Moores langjähriger Partner Robert Noyce und reflektierte, wie der Transistor und der Computer zusammengewachsen sind. Er machte diese Bemerkung 1977, einige Jahre bevor der Personal Computer eine weitere kommerzielle Explosion auf der Basis von Halbleitern auslöste. Mehr als jeder andere Faktor ist es die fantastische Schrumpfung des Transistors in Größe und Kosten, die es dem Durchschnittsbürger ermöglicht, einen Computer zu besitzen und zu betreiben, der weitaus leistungsfähiger ist als alles, was sich die Streitkräfte oder große Unternehmen vor einigen Jahrzehnten leisten konnten. Hätten wir stattdessen beispielsweise auf Vakuumröhren zurückgreifen müssen, würde die Rechenleistung eines Pentium-Chips eine Maschine von der Größe des Pentagon erfordern.

Und gerade im vergangenen Jahr – das zufällig auch das hundertjährige Jubiläum der Entdeckung des Elektrons ist – gab es erfolgreiche Versuche, Transistoren so klein zu bauen, dass nur ein Elektron durch einen Kanal von weniger als 10 Nanometern Länge übertragen wird. Wenn diese Technologie jemals auf die Produktionslinie übertragen werden kann, könnte eine weitere hundertfache Verkleinerung der Transistoren bevorstehen.

Seltene Kombinationen

Die Sage um die Erfindung des Transistors bei Bell Labs ist eine ziemlich bekannte Geschichte, die oft nacherzählt wird, wenn Fragen zur Bedeutung der Grundlagenforschung im Innovationsprozess auftauchen. Viel weniger bekannt ist die Geschichte der darauf folgenden Technologieentwicklung. Es war diese seltene Kombination aus Grundlagenforschung und grundlegender Technologieentwicklung, die moderne Transistoren und Mikrochips möglich machte. Nur wenige Episoden in der Innovationsgeschichte sind vergleichbar.

Die Labs kombinierten eine pragmatische, zielorientierte Forschungsphilosophie mit dem, was Shockley als Respekt vor den wissenschaftlichen Aspekten praktischer Probleme bezeichnete. Die Forschung wurde von dem langfristigen Ziel geleitet, die Komponenten und Dienstleistungen des Bell-Systems zu verbessern – bessere Schalter, klarere Signale usw. Aber in diesem Kontext hatten die Wissenschaftler viel Freiheit für die Grundlagenforschung zu den Eigenschaften von Materialien. Führende theoretische Physiker arbeiteten Seite an Seite mit erstklassigen Experimentatoren und einigen der besten Geräteentwicklungsingenieure des Landes. Die Erfindung und Entwicklung des Transistors veranschaulicht dieses Wechselspiel zwischen Praxis und Wissenschaft, das Bell Labs in seiner Blütezeit prägte.

Als beispielsweise Shockleys ursprüngliche Ideen zur Herstellung eines Festkörperverstärkers scheiterten, schlug Bardeen eine völlig andere Theorie des Halbleiterverhaltens vor, die er schließlich im Physical Review veröffentlichte. Der Feldeffektansatz von Shockley beinhaltete die Verwendung externer elektrischer Felder, um einen Überschuss an Elektronen in der Nähe der Oberfläche von kristallinen Materialien wie Silizium zu induzieren; mit mehr Elektronen, die sich dort sammeln, sollte mehr Strom fließen. Dachte er zumindest. Um das scheinbare Fehlen eines solchen Effekts zu erklären, schlug Bardeen seine Theorie der Oberflächenzustände vor, bei denen Elektronen auf der Oberfläche gefangen werden und das Eindringen elektrischer Felder blockieren. Dies war ein ganz neuer Ausgangspunkt, der die Forschungsbemühungen der Gruppe auf das Verständnis dieser problematischen Zustände neu ausrichtete. Wir gaben den Versuch auf, ein Verstärkergerät herzustellen, erinnerten uns an Shockley, und konzentrierten uns auf neue Experimente zu Bardeens Oberflächenzuständen.

Als Brattain im November 1947 jedoch auf einen groben Weg zur Überwindung dieser Blockade stieß, kehrte die Aufmerksamkeit der Gruppe fast sofort auf das praktische Ziel zurück, einen Halbleiterverstärker zu bauen. Einen Monat später erfanden sie den ersten Transistor, den Punktkontakttransistor, bei dem zwei Streifen Goldfolie auf die Seiten eines Plastikkeils geklebt waren, der die Folienränder in eine Germaniumplatte drückte. Obwohl sich dieses seltsame Ding fast einen Zoll dehnte, geschah der neuartige physikalische Prozess, der für die Leistungssteigerung verantwortlich ist, in nur 2 mil – oder 50 Mikrometern, etwa der Dicke eines Blatts Papier – Germanium zwischen den Metallspitzen, die seine Oberfläche berührten. Positiv geladene quantenmechanische Einheiten, sogenannte Löcher, die unter einem Punkt erzeugt wurden, rieselten entlang einer Oberflächenschicht zum anderen Punkt, verringerten den Widerstand des darunter liegenden Materials und erhöhten dadurch den durch sie fließenden Strom.

Unter der aufgeklärten Leitung von Mervin Kelly und Jack Morton begannen Bell Labs bald, Ressourcen in die Entwicklung von Technologien zu investieren, um Transistoren kommerziell nutzbar zu machen. Es perfektionierte Methoden zur Reinigung von Germanium und Silizium und zur Züchtung großer Kristalle dieser Elemente. Innerhalb weniger Jahre ermöglichten diese Technologien Shockley und Kollegen, seine Idee eines Sperrschichttransistors zu verwirklichen, der sich als weit zuverlässiger als Bardeens und Brattains seltsames Gerät erwies und sich viel leichter für die Massenproduktion eignete. Bei dieser Art von Transistor ersetzen sogenannte p-n-Übergänge die Metall-Halbleiter-Punktkontakte; diese Übergänge werden zwischen zwei ungleichen Schichten aus Halbleitermaterial gebildet, die mit unterschiedlichen Verunreinigungen imprägniert sind, um einen leichten Überschuss an Elektronen oder Löchern zu induzieren. Dieser Ansatz erwies sich als entscheidend für die Herstellung der billigen, zuverlässigen Transistoren, die in den 1950er Jahren in elektrischen Geräten wie Radios und Hörgeräten auftauchten.

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Darüber hinaus stellten die Labs diese und andere Technologien Unternehmen zur Verfügung, die in das Halbleitergeschäft einsteigen wollten. In Kombination mit einigen zusätzlichen eigenen Innovationen erfanden Noyce und Jack Kilby gegen Ende des Jahrzehnts die integrierte Schaltung bei Fairchild Semiconductor und Texas Instruments. Heute besser bekannt als Mikrochips, die heute Millionen von Transistoren auf einem einzigen Siliziumsplitter enthalten, bilden diese Schaltungen die Grundlage der heutigen Halbleiterindustrie im Wert von 150 Milliarden US-Dollar. Wie Morton bemerkte: Manchmal, wenn Sie Ihr Brot auf Wasser verteilen, kommt es als Engelskuchen zurück.

Weitere Entwicklung

Fünfzig Jahre Materialwissenschaft und -technik haben die Dimensionen, die für den Transistoreffekt erforderlich sind, auf den Submikrometerbereich reduziert. Germanium wurde durch Silizium ersetzt, das sich bei hohen Temperaturen deutlich besser verhält. Die Diffusion mikrometertiefer Schichten von Fremdatomen in das Silizium und die Bildung einer glasigen, schützenden Oxidschicht darauf, die Photolithographie zum Ätzen empfindlicher Strukturen auf der Siliziumoberfläche und das Aufdampfen von Metallkontakten auf dieser glasartigen Schicht begannen die Massenproduktion zu ermöglichen von integrierten Schaltkreisen, die viele Transistoren und andere Festkörperkomponenten enthalten.

Nachdem Bell Labs 1960 Bardeens Oberflächenzustände durch Bildung der Oxidschicht in einer sorgfältig kontrollierten Umgebung endlich unter Kontrolle gebracht hatte, kehrte Shockleys ursprünglicher Feldeffektansatz in Form der Metall-Oxid-Halbleiter-(MOS)-Transistoren in den Vordergrund, die dominieren heute die Branche. Hier wird ein elektrisches Feld durch die isolierende Oxidschicht angelegt, indem ein winziger Metallstreifen auf seiner Oberfläche aufgeladen wird; dieses Feld bestimmt den Strom, der in dem darunter befindlichen Silizium fließt. Kleine Änderungen der elektrischen Ladung auf dem Band können einen großen Einfluss auf diesen Strom haben – manchmal sogar vollständig blockieren.

1965 stellte Moore fest, dass sich die Zahl der einzelnen Komponenten auf integrierten Schaltkreisen jedes Jahr verdoppelte. Er extrapolierte dieses exponentielle Wachstum für ein weiteres Jahrzehnt und kam zu einer erstaunlichen Prognose: dass die Schaltkreise von 1975 etwa 65.000 Geräte enthalten würden. Seine Vorhersage, die jetzt als Moores Gesetz verankert ist, hat sich seit über drei Jahrzehnten bewahrheitet, obwohl die Verdopplungszeit auf etwa 18 Monate angewachsen ist. Die fortschrittlichsten Chips enthalten heute Millionen von Transistoren – jeder mit typischen Abmessungen von weniger als einem halben Mikrometer. Und auf ultraviolettem Licht basierende Photolithographietechniken versprechen eine weitere Größenreduzierung auf fast ein Zehntel Mikrometer oder 100 Nanometer. Chips mit Milliarden von Festkörperkomponenten könnten bald Realität werden.

technologische Fortschritte 2015

Innovation heute

Die entscheidende Lehre aus der Transistor-Episode ist, dass die Grundlagenforschung im Rahmen eines profitorientierten Unternehmens zu einem völlig neuen und phänomenal wertvollen Ansatzpunkt für die Elektronik geführt hat. Ein enges Zusammenspiel von Praxis und Wissenschaft führte zur Entdeckung und raschen Entwicklung des physikalischen Verfahrens der Transistorwirkung, das so drastisch miniaturisiert werden konnte.

Aber Bell Labs der Nachkriegszeit war eine einzigartige Institution, die heute sehr schwer - wenn nicht unmöglich - zu replizieren wäre. Was Kelly als Institut für kreative Technologie bezeichnete, konzentrierte die intellektuellen Energien eines halben Dutzends späterer Nobelpreisträger unter dem Dach eines einzigen Industrielabors in New Jersey. Die Muttergesellschaft AT&T befand sich jedoch in einer ganz besonderen Situation: Sie hielt das Telefonmonopol in den gesamten Vereinigten Staaten. Daher zahlte sie jedes Mal, wenn jemand ein Ferngespräch führte, eine Steuer für Grundlagenforschung und Technologieentwicklung, um die laufenden Projekte in den Labors zu unterstützen. Im Gegenzug betrachteten sich viele der dort arbeitenden Wissenschaftler und Ingenieure als Teil einer nationalen Ressource, die dem nationalen Interesse verpflichtet war.

Im heutigen hart umkämpften Geschäftsklima können sich die meisten Unternehmen keine Forschungs- und Entwicklungskosten leisten, die ihre Rentabilität auf Jahre wahrscheinlich nicht verbessern werden. Getrieben von Gewinndruck und 18-monatigen Produktzyklen können es sich nur wenige Unternehmen leisten, die multidisziplinären Teams zusammenzustellen und ihnen den breiten Forschungsspielraum zu lassen, den Bell Labs mit seiner Solid-State-Gruppe in den Nachkriegsjahren hatte. Und ihre neuen Technologien so frei verfügbar zu machen, ist absolut undenkbar.

Die Bundesregierung versucht durch die Förderung von Technologietransfer und Spitzentechnologieprogrammen einen Beitrag zur Überbrückung der Kluft zwischen Wissenschaft und Wirtschaft zu leisten. Dies sind jedoch schwierige Vorschläge, die mit schwerwiegenden Problemen und politischen Meinungsverschiedenheiten behaftet sind. In der fragmentierten F&E-Umgebung von heute verfolgen Physiker an Forschungsuniversitäten und nationalen Labors weiterhin imaginäre Superstrings und Leptoquarks, die keine denkbaren praktischen Anwendungen haben; Inzwischen konzentrieren sich Ingenieure von Halbleiterfirmen darauf, Wege zu entwickeln, um immer feinere Strukturen auf Silizium zu ätzen.

Teilweise aufgrund dieser unglücklichen Dichotomie haben Innovationen Schwierigkeiten, die Produktion zu erreichen. Neuere Durchbrüche wie Fulleren-Nanostrukturen und Hochtemperatur-Supraleiter bleiben Laborkuriositäten; Im Vergleich zum Transistor, der kaum fünf Jahre nach seiner Erfindung in Hörgeräten auftauchte, hinken diese Innovationen der Kommerzialisierung entgegen. Eine mögliche Lösung könnte in Industriekonsortien wie Austins Sematech liegen, die hauptsächlich darauf abzielen, die großen Pools neuer Technologien zu entwickeln, die ihre teilnehmenden Unternehmen zur Verbesserung der Produktlinien benötigen. Grundlagenforschungsgruppen könnten in solche gut finanzierten Konsortien eingebunden werden. Auf diese Weise würden sie in einem pragmatischen Umfeld agieren, das auch die grundlegende Entwicklung fördern könnte, die normalerweise erforderlich ist, um wissenschaftliche Entdeckungen in nützliche Produkte zu verwandeln.

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Ein weiterer hoffnungsvoller Trend ist, dass große Unternehmen wie Microsoft, die einen komfortablen Anteil an ihrem spezifischen Markt haben oder ein virtuelles Monopol auf ihrem spezifischen Markt haben, wieder anfangen, die Weisheit von Investitionen in die Forschung zu erkennen. Dies geschah in den 1970er Jahren im Palo Alto Research Center von Xerox und führte zur Entwicklung so äußerst nützlicher Informationstechnologien wie Ethernet, der Maus und der grafischen Benutzeroberfläche. Unter der Führung von Bill Gates und Nathan Myhrvold hat Microsoft kürzlich eine ähnliche Wendung genommen und Hunderte von Millionen für grundlegende Forschungs- und Entwicklungsprojekte in der Informatik verwendet. Aber ich frage mich, inwieweit das Unternehmen seine Erkenntnisse mit anderen Unternehmen teilen wird.

In jedem Fall ist es wichtig, die echte Partnerschaft zwischen Wissenschaft und Technologie anzuerkennen. Aus Wissenschaft wird nicht, dass aus Technologie Produkte werden, behauptet Moore, als er das lineare Modell der industriellen Entwicklung von Bell Labs angreift. Es ist die Technologie, die die Wissenschaft dazu bringt, dahinter zu kommen. Aber die Wissenschaft, auf die er sich bezieht, ist die eng angewandte Wissenschaft, die heute in den meisten Industrien betrieben wird – aus der, wenn überhaupt, nur wenige radikal neue Innovationen und Ausgangspunkte hervorgehen werden. Wissenschaft und Technologie sind wie die zwei ineinander verschlungenen Polypeptidketten in einem DNA-Molekül. Jeder beeinflusst den anderen in einer komplizierten, symbiotischen Beziehung, die stark geschmälert würde, wenn einer der Diener des anderen würde.

Mein zentraler Punkt ist, dass wir die fragmentierte Natur des heutigen FuE-Unternehmens überwinden müssen. Was die Bell Labs der Nachkriegszeit auszeichnete und zur Erfindung und Entwicklung des Transistors führte, war, dass alle Talente, die für revolutionäre Innovationen erforderlich waren, unter einem einzigen Dach vereint waren und als gut eingespielte Einheit unter einem aufgeklärten Management, das verstanden wurde, eng zusammenarbeiteten wie solche multidisziplinären Teams während des Zweiten Weltkriegs Radar und die Atombombe entwickelt hatten. Ich hoffe, dass wir nicht noch einmal eine solche Katastrophe brauchen werden, um uns noch einmal an den Wert kooperativer Forschung und Entwicklung zu erinnern.

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