Geschichte der Halbleitertechnik

Kaum eine Technik hat die Welt so schnell verändert wie die Halbleitertechnik. Zwischen dem ersten Transistor, einem fingergroßen Aufbau aus Germanium und Goldfolie, und einem heutigen Smartphone-Chip mit über zehn Milliarden Transistoren liegen nicht einmal 80 Jahre. Dieser Artikel zeichnet die wichtigsten Stationen nach – und zeigt, warum viele Begriffe, die dir in Datenblättern begegnen, aus genau dieser Geschichte stammen.

Vorgeschichte: Kristalle und Gleichrichter

Die Werkstoffe selbst waren schon lange bekannt: Jöns Jakob Berzelius stellte 1823 erstmals Silizium her, Clemens Winkler entdeckte 1886 das Germanium. Schon 1874 beobachtete Ferdinand Braun, dass der Kontakt zwischen einer Metallspitze und bestimmten Kristallen wie Bleiglanz den Strom nur in eine Richtung gut leitet. Um 1906 wurde daraus der Kristalldetektor: Frühe Radioempfänger nutzten ihn, um Funksignale gleichzurichten. Der Bastler musste mit einem feinen Draht, dem „Katzenschnurrbart“, eine empfindliche Stelle auf dem Kristall suchen.

In den 1920er-Jahren kamen die ersten industriell gefertigten Halbleiter-Gleichrichter auf: Kupferoxydul-Gleichrichter (ab etwa 1925) und wenig später Selen-Gleichrichter – flache Plattenstapel, die in Netzteilen und Ladegeräten jahrzehntelang Dienst taten. Ansonsten bestimmte aber die Elektronenröhre die Elektronik.

Erklären konnte das damals niemand. Erst die Quantenphysik der 1920er- und 1930er-Jahre lieferte mit dem Bändermodell ein Verständnis dafür, warum manche Stoffe Halbleiter sind. In den 1920er-Jahren meldete Julius Edgar Lilienfeld bereits Patente auf einen Feldeffekt-Verstärker an – bauen ließ er sich mit den damaligen Materialien aber nicht.

Im Zweiten Weltkrieg brauchte die Radartechnik Detektoren für sehr hohe Frequenzen, bei denen Elektronenröhren versagten. Die Forschung an hochreinem Silizium und Germanium kam dadurch stark voran. 1940 entdeckte Russell Ohl in den Bell Labs an einem Siliziumstab mit unterschiedlich verunreinigten Zonen den pn-Übergang.

1947: der Transistor

Im Dezember 1947 führten John Bardeen und Walter Brattain in den Bell Labs den ersten funktionierenden Transistor vor: einen Spitzentransistor aus einem Germaniumplättchen mit zwei eng benachbarten Goldkontakten. Ihr Gruppenleiter William Shockley entwickelte kurz darauf den robusteren Flächentransistor aus pn-Übergängen. Die drei erhielten 1956 den Nobelpreis für Physik. Fast gleichzeitig entwickelten Herbert Mataré und Heinrich Welker in Paris unabhängig einen ähnlichen Verstärker, das „Transistron“.

Die ersten Transistoren bestanden aus Germanium, weil es sich leichter reinigen ließ. 1954 stellte Texas Instruments den ersten kommerziellen Siliziumtransistor vor, im selben Jahr kam mit dem Regency TR-1 das erste Transistorradio in den Handel. Solche tragbaren Radios hießen im Volksmund bald selbst „Transistor“, und die Zahl der eingebauten Transistoren wurde zum Verkaufsargument. Parallel entstanden weitere Halbleiterbauteile: 1957 der Thyristor für das Schalten großer Ströme und die Tunneldiode von Leo Esaki. Silizium setzte sich durch, weil es höhere Temperaturen verträgt und – wie sich bald zeigte – eine hervorragende Oxidschicht bildet.

1958/59: die integrierte Schaltung

Mit vielen einzelnen Transistoren wuchs ein neues Problem: Jede Verbindung musste von Hand gelötet werden, und jede Lötstelle war eine mögliche Fehlerquelle. Jack Kilby bei Texas Instruments baute 1958 die erste integrierte Schaltung (IC) – mehrere Bauelemente auf einem Germaniumplättchen, allerdings noch mit aufgeschweißten Drähten verbunden.

Den entscheidenden Schritt zur Massenfertigung lieferte Fairchild Semiconductor: Jean Hoerni entwickelte 1959 das Planarverfahren, bei dem eine Siliziumdioxidschicht die Oberfläche schützt und als Maske für die Dotierung dient. Robert Noyce nutzte es für ICs, deren Bauelemente über aufgedampfte Aluminiumbahnen verbunden waren. Diese Bauweise – flache Strukturen, schichtweise durch Fotolithografie erzeugt – ist bis heute das Grundprinzip der Chipfertigung (mehr dazu unter Chemie in der Halbleiterfertigung).

MOSFET, CMOS und das Mooresche Gesetz

1959/60 bauten Mohamed Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs den ersten MOSFET – den Feldeffekttransistor, den Lilienfeld 30 Jahre zuvor erdacht hatte, nun möglich durch das stabile Siliziumoxid. 1963 kam CMOS hinzu: die Kombination aus n- und p-Kanal-MOSFETs, die im Ruhezustand fast keinen Strom aufnimmt. Ein großer Vorteil des MOSFET: Sein isoliertes Gate nimmt im Ruhezustand praktisch keinen Strom auf – ähnlich wie das Gitter einer Röhre, während ein Bipolartransistor ständig Basisstrom braucht.

In den 1960er-Jahren eroberten aber zunächst bipolare Logikbausteine den Markt, erst DTL, dann ab 1963 TTL. Die 74er-Serie von Texas Instruments wurde zum Standard; stromsparendere Varianten wie Low-Power-Schottky (74LS) folgten. Ab den 1970er-Jahren setzte sich CMOS durch, weil es kaum Ruhestrom braucht und störsicher ist. Heute sind nahezu alle digitalen Chips CMOS-Schaltungen (siehe Logikfamilien). Mit der Großintegration (LSI) passten um 1970 tausende Transistoren auf einen Chip – die Voraussetzung für den Mikroprozessor.

Gordon Moore beobachtete 1965, dass sich die Zahl der Bauelemente pro Chip regelmäßig verdoppelte; später setzte er die Verdopplungszeit auf etwa zwei Jahre fest. Dieses Mooresche Gesetz ist kein Naturgesetz, sondern war jahrzehntelang eine sich selbst erfüllende Planungsvorgabe der Industrie.

In die dritte Dimension

Lange wurden Transistoren einfach immer kleiner. Ab etwa 2005 stieß das an Grenzen: Leckströme und Wärme stiegen stark an. Die Industrie reagierte mit neuen Materialien – 2007 ersetzte Intel das Gate-Oxid durch ein „High-k“-Material – und mit neuen Formen. 2011 kam der FinFET in Serie, bei dem der Kanal als schmale Rippe aufragt und vom Gate von drei Seiten umschlossen wird. Seit 2022 gehen Gate-All-Around-Transistoren in Produktion, bei denen das Gate den Kanal vollständig umgibt. Warum diese Schritte nötig wurden und wo es weitergeht, beschreibt Grenzen der modernen Halbleitertechnik.

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