Transistoren im Überblick

Die historische Entwicklung

Die Erfindung und Entwicklung der Transistoren konnte erst möglich werden, weil bereits im 19. Jahrhundert die Entdeckung der heute umfassend eingesetzten Halbleiterwerkstoffe gelang. 1823 entdeckte J.J. BERZELIUS (1779-1848) bereits das Silicium, während das Germanium erst 1886 von C. WINKLER (1838-1904) gefunden wurde.

Die Entwicklung zum heutigen modernen Transistor vollzog sich dann in mehreren Etappen, deren Abgrenzung voneinander teilweise recht willkürlich ist.
In der 1. Etappe, die etwa von 1870 bis 1920 reicht, wurden Eigenschaften der damals bekannten Halbleitermaterialien experimentell untersucht. Dabei entdeckte F. V. BRAUN (1850-1918) bei der Untersuchung des Stromflusses über eine Kontaktstelle zwischen einem Metall und einem Kristall, dass der Stromfluss von der Polarität der angelegten Spannung bestimmt wird (Gleichrichtereffekt). Etwa im Jahre 1906 gelang es, den zum Empfang hertzscher Wellen unerlässlichen „Kohärer“ durch den Detektor, einen Metallspitzen-Halbleiter-Übergang, zu ersetzen. Ebenfalls in dieser Zeit wurde der erste Metallspitzen-Silicium-Übergang zur HF-Gleichrichtung bekannt.
Diese und weitere Forschungsergebnisse führten letztlich zur Entwicklung leistungsfähiger Gleichrichter (Kupferoxydul- und Selengleichrichter), ohne dass eine geschlossene Theorie für die Vorgänge in den Halbleitermaterialien vorlag.

Die sich daran anschließende 2. Etappe war einerseits von einer intensiv betriebenen Grundlagenforschung gekennzeichnet und erhielt im 2. Weltkrieg durch die Bedürfnisse der sich rasch entwickelnden HF-Technik, insbesondere der Radartechnik, bedeutende Impulse. Am Ende des Krieges gab es eine ausreichend gesicherte theoretische Basis und im Bereich der Halbleiterdioden für Höchstfrequenzanwendungen auch industriell beherrschbare technologische Verfahren.
Somit begann etwa 1946/47 die gezielte Erforschung von Halbleiterstrukturen mit Verstärkereigenschaften. Am 30.06.1948 stellte die Forschungsgruppe der Bell-Laboratorien in New York den ersten funktionsfähigen Transistor der Welt vor. Die drei führenden Wissenschaftler, JOHN BARDEEN (1908-1991), WALTER HOUSER BRATTAIN (1902-1987) und WILLIAM BRADFORD SHOCKLEY (1910-1989), deren Erfindung im US-Patent 2524035 beschrieben ist, erhielten dafür im Jahre 1956 den Nobelpreis für Physik.

Dieser erste Transistor war ein Spitzentransistor auf der Grundlage von Germanium. Auf ein Ge-Plättchen waren in geringem Abstand voneinander zwei Metallspitzen aufgesetzt. Durch einen exakt definierten Formierungsstromstoß einer Kondensatorentladung wurde in der Umgebung jeder der beiden Metallspitzen eine Umdotierung des Germaniums erreicht. Das Aufbauprinzip ist in Bild 1 skizziert. Dieses Gebilde als Resultat langer Versuchsreihen wies zwar den Verstärkereffekt auf, war aber in dieser Form nicht für eine industrielle Großproduktion geeignet.

Die ab 1948 einsetzende 3. Etappe, die bis 1958 reichte, vervollkommnete einerseits die theoretischen Grundlagen und diente andererseits der Schaffung von Technologien, die den Transistor zu einem stabil arbeitenden und preiswerten Massenprodukt werden ließen.

Entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung der theoretischen Grundlagen nahm SHOCKLEY. So stellte er 1949 die Theorie der pn-Übergänge vor und schuf 1952 die theoretischen Grundlagen der Feldeffekttransistoren (FET). Interessant dürfte in diesem Zusammenhang die Bemerkung sein, dass bereits 1929 LILIENFELD ein Patent zur Feldeffektsteuerung anmeldete, welches aber zu diesem Zeitpunkt technologisch fern jeder Realisierbarkeit war. Anfang der fünfziger Jahre des 20. Jahrhunderts gelang der Übergang von der ursprünglich auf der Grundlage von Germanium arbeitenden Technologie zum Halbleitermaterial Silicium, welches vor allem einen deutlich geringeren Eigenleitungsanteil besaß und damit die stark temperaturabhängigen Restströme extrem senken konnte.

Bedingt durch die für Silicium immer besser beherrschbare Herstellbarkeit von großen einkristallinen Strukturen, die durch das CZOCHRALSKI-Ziehverfahren in Verbindung mit dem Zonenschmelzen möglich wurden, konnte man aus den in Stangenform gewonnenen Einkristallen durch eine spezielle Trenntechnik große Si-Scheiben gewinnen. Mithilfe einer Mehrschritt-Ätz-und Aufdampftechnik wurde es möglich, auf einer derartigen Scheibe viele hundert Transistoren gleichzeitig herzustellen.
Am Ende der Folge der Bearbeitungsschritte wurde durch aufgesetzte Kontakte eines Prüfautomaten jeder Transistor auf seine Funktionsfähigkeit geprüft. Defekte Transistoren wurden mit einem Farbpunkt markiert. Anschließend wurde die Scheibe mittels Diamanten so geritzt, dass nach dem Zerbrechen winzige Transistoreinheiten vorlagen. Da der Farbstoff, mit dem defekte Einheiten markiert („geinkt“) waren, eine ferromagnetische Beimischung enthielt, konnten diese mithilfe eines kleinen Magneten ohne Probleme von den intakten getrennt werden. Die intakten Transistoren wurden dann kontaktiert und in ein Schutzgehäuse eingeschlossen.

Die hier skizzierte Technologie lieferte natürlich Transistoren mit flächenhaft eingearbeiteten Emitter- und Kollektorzonen. Die Kontaktierung zu den Außenanschlüssen erfolgte in der Regel mit Golddraht.
Da die Siliciumzonen, auf denen Transistoren erzeugt werden sollten, einen hochreinen und praktisch idealen Kristallaufbau verlangen, die Randzonen dieser Kristallscheiben aber naturgemäß Störungen der Gitterstruktur aufwiesen, ging die technologische Entwicklung zu immer größeren Scheibendurchmessern. Das liefert gleichzeitig die Möglichkeit, die Zahl der auf einer Scheibe herstellbaren Transistoren erheblich zu erhöhen.
Aus der fortgeschrittenen Herstellungstechnologie vieler Einzeltransistoren auf einer zusammenhängenden Si-Fläche, die im letzten Bearbeitungsschritt dann getrennt wurde, entstand 1958 der Gedanke, vor dem Auftrennen in einzelne Transistoren einige von ihnen untereinander zu einer größeren Einheit zu verbinden. Das war die Geburtsstunde der Bauelemente, die heute als integrierte Schaltkreise bezeichnet werden.

Als Erste realisierten KILBY und NOYCE eine derartige Schaltung. Dass dazu einerseits auf der Trägerfläche die einzelnen Transistoren voneinander elektrisch abgegrenzt werden mussten, war nur eine der vielen neuen Teilaufgaben bei der Herstellung integrierter Schaltungen. Neben dem Transistor mussten Widerstände und Kondensatoren realisiert werden. Dieser Prozess, der 1958 begann, ist auch heute noch nicht zu einem Ende gekommen.
Hauptsächliche Zielgruppe war ursprünglich die sich rasch entwickelnde Rechentechnik mit ihrem großen Bauelementebedarf, sodass anfangs nur digitale Schaltkreise entwickelt wurden.
Die technologischen Möglichkeiten gestatteten aber 1969 die Realisierung der ersten integrierten Analogschaltung. Es handelt sich dabei um einen Operationsverstärker, der noch heute als Universalverstärker zum Einsatz kommt. Auch diesem ersten Bauelement einer neuen Generation folgten bis heute viele nach.

Die technologische Realisierung von Transistoren

Transistoren gibt es in zwei grundverschiedenen Varianten: In einer muss der zu steuernde Laststrom zweimal Grenzschichten passieren (bipolare Transistoren), in der zweiten verbleibt er stets in einem Leitungsgebiet (unipolare Transistoren).

Aus den Möglichkeiten der Technologie der Halbleiterwerkstoffe resultiert der Umstand, dass zuerst die bipolaren Transistoren erfunden wurden, obgleich die unipolaren in ihrer Funktionsweise strukturell den damals bekannten Elektronenröhren fast völlig entsprechen. Das macht aber die Tatsache verständlich, dass bereits in den 30er Jahren (freilich seinerzeit nicht realisierbare) Konzeptionen für Feldeffekt-Halbleiterbauelemente vorgelegt wurden.
Dem ersten bipolaren Spitzentransistor folgte bald der Ge-Legierungs-Transistor (Bild 2). Die weitere Vervollkommnung der Technologie brachte dann den Mesatransistor, der als erster die gleichzeitige Herstellung vieler Transistoren auf einer einzigen Ge-Fläche ermöglichte. Dadurch ließ sich eine wesentliche Steigerung in der Erzielung gleicher Betriebsparameter erreichen.

Der Si-Epitaxial-Transistor (Bild 3) bereitete die Grundlagen der integrierten Schaltungstechnik vor. Die im Rahmen der Epitaxie-Prozesse entwickelten Dotierungsverfahren ermöglichten etwa ab 1960 die Serienfertigung unipolarer Feldeffekttransistoren (FET). Dabei besteht aber der FET ebenso wie der bipolare Transistor aus p- und n-dotiertem Material. Während im bipolaren Transistor der zu steuernde Laststrom auf seinem Weg von der Quelle (sie heißt hier Emitter) zur Senke, die hier als Kollektor bezeichnet wird, zwei pn-Übergänge passieren muss, verbleibt er im unipolaren Transistor zwischen Quelle (hier Source genannt) und Senke (hier Drain) in einem durchgängig einheitlich dotierten Bereich den man als Kanal bezeichnet.

Dieser Kanal kann aus p- oder aus n-dotiertem Material bestehen und ist rundum von n- oder p-dotiertem Material umgeben. Im Bild 4 ist das Prinzip dargestellt. Die Steuerung des Laststromes wird dadurch möglich, dass ein von außen wirkendes elektrisches Feld diesen Kanalquerschnitt beeinflusst bzw. die Ladungsträgerkonzentration verändert.

Eine Übersicht über die einzelnen Transistorstrukturen mit ihren Schaltzeichen zeigt Bild 5.

Der Kennzeichnungsschlüssel für Transistoren

Dieser Schlüssel gilt unabhängig vom Aufbau des Transistors. Er klassifiziert vielmehr nach solchen Aspekten, die für den Anwender von Bedeutung sind. In Europa werden die Bezeichnungen eine in Brüssel angesiedelte internationale Kommission - PRO ELECTRON - festgelegt. Danach werden alle Halbleiterbauelemente mit zwei Buchstaben und einem laufenden Kennzeichen (kann Buchstaben und Zahlen enthalten) charakterisiert.