Die Transistorrevolution: Wie Transistoren die Welt veränderten

Bei diesen Listen wird eine Erfindung oft übersehen: die Erfindung des Transistors. Dieser Artikel befasst sich mit der Geschichte der Transistoren und beleuchtet die Bedeutung der Transistortechnologie für die moderne Welt.

Was ist ein Transistor?

In seiner einfachsten Form ist ein Transistor ein winziger, auf Halbleitern basierender Schalter, der wie ein gewöhnlicher Lichtschalter funktioniert. Transistoren regulieren oder steuern den Strom- oder Spannungsfluss auf mikroskopischer Ebene. Moderne Transistoren bestehen aus drei elektrischen Leitungen: Source, Drain und Gate. Wenn ein kleines elektrisches Signal an das Gate des Transistors angelegt wird, wird das größere primäre elektrische Signal durch den Drain gelassen.

Verschiedene moderne Konfigurationen erlauben es, unterschiedliche Primär- und Sekundärspannungen an diese Leitungen anzulegen, was oft von den verwendeten Halbleitermaterialien abhängt. So benötigen beispielsweise Standard-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETS) auf Siliziumbasis 1000 mm*Rds(on) bei einer Gate-Spannung von 5 V und einer Drain-Source-Spannung von 200, während Galiumnitrid-Halbleiter bei denselben Spannungen nur 60 mm*Rds(on) benötigen (eine 16-fache Reduzierung).

Wie werden Transistoren verwendet?

Transistoren sind in moderner Elektronik nahezu allgegenwärtig. Sie bilden die Grundlage für integrierte Schaltungen (IC), Mikrochips, Mikroprozessoren, FPGAs, Speicherchips, elektronische Schalter, Spannungsversorgungen und vieles mehr. Infolgedessen besteht fast jedes moderne elektronische Gerät aus mindestens einem Transistor, wenn nicht sogar aus Millionen von Transistoren.

So besteht zum Beispiel ein Standard-Ladeadapter für das Apple iPhone aus einem einzigen Hochfrequenz-MOSFET-Schalttransistor und einem einzigen Sperrwandler. Diese beiden Transformatoren arbeiten neben vielen anderen passiven Komponenten zusammen, um ein breites Spektrum an „schmutzigem“ Eingangswechselstrom in „saubere“, gut gefilterte Gleichstrom-Ausgangsspannungen umzuwandeln, mit denen ein iPhone geladen werden kann.

Ein moderner PC besteht aus Milliarden Transistoren. Der Dell XPS 15 Laptop verwendet beispielsweise einen 12ᵗʰ Gen Intel® Core™ i9-12900HK als zentrale Verarbeitungseinheit (CPU). Während Intel die Gesamtzahl seiner Transistoren nicht mehr offenlegt, besteht eine Apple M1 Max CPU aus 57 Milliarden Transistoren. In Computern für die professionelle Grafikdarstellung, die sowohl CPUs als auch GPUs verwenden, kann die Gesamtzahl der Transistoren Hunderte von Milliarden übersteigen.

Eine kurze Geschichte des Transistors

Die konzeptionelle Grundlage des Transistors bildet die 1907 erfundene Thermionen-Vakuumröhre, die vor allem in der Funktechnik, im Fernsehen, im Radar und in der Fernkommunikation eingesetzt wurde. Diese Röhrenverstärker verbrauchten viel Energie, waren sehr teuer in der Herstellung, konnten sehr groß und schwer sein und waren sehr anfällig.

Thermionische Vakuumröhren verwenden ein Eingangssignal, um den elektrischen Stromfluss zwischen den Elektroden zu steuern. Die Röhren benötigen erhitzte Glühfäden im Vakuum, was zusätzliche Energie verbraucht und sie anfällig für katastrophale Ausfälle macht.

Festkörper-Feldeffekttransistoren wurden erstmals 1925 von dem Physiker Julius Edgar Lilienfeld in Kanada patentiert, später dann 1926 und 1928 in den USA. Mit diesen Patenten wurden die Prinzipien der Festkörpertransistoren und ihre Verwendung als Alternative zu den thermionischen Vakuumröhren festgelegt, aber damit endete Lilienfelds Verdienst als Großvater der Transistortechnologie. In den 1920er Jahren war es noch nicht möglich, die hochwertigen Halbleitermaterialien herzustellen, die für die Konstruktion von Lilienfelds Konzepten erforderlich waren.

Der erste funktionierende Transistor, der Punktkontakttransistor, wurde 1947 von den amerikanischen Physikern John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley bei Bell Labs erfunden. Ihre ursprüngliche Forschung im Bereich des Halbleiterverhaltens war tangential mit den in Lilienfelds Arbeit skizzierten Konzepten verbunden, aber ihre fehlgeschlagenen Versuche, Feldeffekttransistoren (FETS) zu konstruieren, führten sie zur Entdeckung und Erfindung von bipolaren Spitzen- und Junction-Transistoren. Shockley meldete im Juni 1948 das US-Patent für die erste Bipolartransistortechnologie an.

Interessanterweise forschten die deutschen Physiker Herbert Matare und Heinrich Welker, die für eine Westinghouse-Tochtergesellschaft in Paris arbeiteten, Anfang 1948 an ganz ähnlichen Themen. Nachdem sie ihre Entdeckungen gemacht und festgestellt hatten, dass sie Shockleys Team in der Transistorforschung überholt hatten, meldeten sie am 13. August 1948 in Frankreich ihr erstes Transistorpatent an.

Anfang der 1950er Jahre wurden Transistoren bereits in kleinem Maßstab für den Einsatz in der Funkkommunikation hergestellt. Mitte der 1950er Jahre folgten mehrere bahnbrechende Entdeckungen und Produkte:

• Bell Labs entwickelte am 26. Januar 1954 den ersten funktionierenden Siliziumtransistor.
• Texas Instruments baute Ende 1954 den ersten kommerziellen Siliziumtransistor.
• Das erste Transistorradio, das Regency TR-1, wurde im Oktober 1954 auf den Markt gebracht.
• Das erste serienmäßige Volltransistor-Autoradio wurde von Chrysler und Philco entwickelt und am 28. April 1955 auf den Markt gebracht.
• Das erste massenproduzierte Transistorradio, das Sony TR-63, kam 1957 auf den Markt und wurde sieben Millionen Mal verkauft, was zu einer massenhaften Verbreitung von Transistorradios in den späten 1950er und frühen 1960er Jahren führte.

In den 1960er Jahren hatte sich die Transistortechnologie zu einer dominierenden technologischen Kraft entwickelt. Vakuumröhren wurden schnell obsolet. 1965 sagte Gordon Moore, der Gründer von Fairchild Semiconductor und Intel, voraus, dass sich die Zahl der Transistoren auf Mikrochips alle zwei Jahre verdoppeln würde. Moore's Law definiert eine lineare logarithmische Beziehung dieser Transistordichte über die Zeit. 1970 hatten integrierte Schaltkreise etwa 2000 Transistoren. Im Jahr 2020 hatten die modernsten integrierten Schaltkreise weit über 10.000.000.000.

Bildquelle: Wikipedia

Die globale Bedeutung des Transistors

In weniger als einem Jahrzehnt nach seiner Einführung hat der Transistor die moderne Elektronik und die Forschungsinstitute revolutioniert. Physiker auf der ganzen Welt entdeckten mit Begeisterung das Potenzial der Transistortechnologie.

William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain von Bell Labs erhielten 1956 den Nobelpreis für Physik „für ihre Forschungen zu Halbleitern und ihre Entdeckung des Transistoreffekts“. Diese Auszeichnung bedeutet zwar eine enorme Anerkennung, doch die Auswirkungen auf die Menschheit und die zukünftige Technologie waren weitaus bedeutender.

Transistoren sind die Grundlage für nahezu jedes elektronische Gerät, jedes elektrische System und jede Industrie auf der ganzen Welt. Im Jahr 2022 wird die weltweite Halbleiterchip-Industrie voraussichtlich 600 Milliarden USD übersteigen.

Ob Sie nun ein Fluglotse in Australien, ein Banker in Belgien, ein Autohändler in Kanada, ein Lehrer in Ägypten, ein Landwirt in Frankreich, ein Wertpapieranleger in Singapur oder ein Videospieler in Venezuela sind, Sie nutzen die Transistortechnologie in Ihrem täglichen Leben. Die Erfindung des Transistors ist vielleicht die wichtigste Erfindung des 20. Jahrhunderts. Ohne Transistoren hätte es alltägliche Basistechnologien wie das Internet, Mobiltelefone, die moderne Medizin und den modernen Verkehr vielleicht nie gegeben.