Die Transistor-Revolution: Wie Transistoren die Welt veränderten

Im Laufe der Menschheitsgeschichte haben mehrere technologische Meilensteine den menschlichen Fortschritt neu definiert: die landwirtschaftliche Revolution, die industrielle Revolution und die Entdeckung der Elektrizität. Einige Erfindungen veränderten die Welt: der Gleichstrom-Generator, die Glühbirne, das Telefon, Beton, Wechselstrommotoren/Generatoren, Flugzeuge, Züge, Automobile, Röntgenstrahlen und Penicillin.

Wenn diese Listen zusammengestellt werden, wird eine Erfindung oft übersehen: die Erfindung des Transistors. Dieser Artikel untersucht die Geschichte der Transistoren und hebt die Bedeutung der Transistortechnologie in der modernen Welt hervor.

Was ist ein Transistor?

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

Verschiedene moderne Konfigurationen ermöglichen es, unterschiedliche primäre und sekundäre Spannungen an diese Anschlüsse anzulegen, was oft von den verwendeten Halbleitermaterialien abhängt. Zum Beispiel benötigen standardmäßige, auf Silizium basierende Metal-Oxide-Semiconductor-Feldeffekttransistoren (MOSFETS) 1000mm*Rds(on) bei einer Gate-Spannung von 5V und einer Drain-Source-Spannung von 200V, während Gallium-Nitrid-Halbleiter bei den gleichen Spannungen nur 60mm*Rds(on) benötigen (eine Reduzierung um das 16-fache).

Wie werden Transistoren verwendet?

Transistoren werden in nahezu allen modernen elektronischen Geräten verwendet. Sie sind die Grundlage von integrierten Schaltungen (IC), Mikrochips, Mikroprozessoren, FPGAs, Speicherchips, elektronischen Schaltern, Stromversorgungen und vielem mehr. Daher besteht nahezu jedes moderne elektronische Gerät aus mindestens einem Transistor, wenn nicht sogar Millionen davon.

Zum Beispiel besteht ein standardmäßiger Apple iPhone-Ladeadapter aus einem einzelnen Hochfrequenz-MOSFET-Schalttransistor und einem einzelnen Flyback-Transformator. Diese zwei Transformatoren arbeiten zusammen, neben vielen anderen passiven Komponenten, um einen breiten Bereich von ‚unreinem‘ AC-Eingangsstrom zu nehmen und in ‚saubere‘, gut gefilterte DC-Ausgangsspannungen umzuwandeln, die zum Laden eines iPhones verwendet werden.

Ein moderner Personal Computer besteht aus Milliarden von Transistoren. Beispielsweise verwendet der Dell XPS 15 Laptop einen 12ᵗʰ Gen Intel® Core™ i9-12900HK als zentrale Zentraleinheit (CPU). Während Intel die Gesamttransistorenzahl nicht mehr offenlegt, besteht eine Apple M1 Max CPU aus 57 Milliarden Transistoren. In professionellen Grafikwiedergabe-Computern, die sowohl CPUs als auch GPUs verwenden, kann die Gesamttransistorenzahl Hunderte von Milliarden übersteigen.

Eine kurze Geschichte der Transistoren

Die konzeptionelle Grundlage eines Transistors ist in thermionischen Vakuumröhren verwurzelt, die 1907 erfunden wurden und vor allem in der Radiotechnik, Fernsehern, Radar und Fernkommunikation verwendet wurden. Diese Vakuumröhrenverstärker verbrauchten viel Energie, waren sehr teuer in der Herstellung, konnten sehr groß und schwer sein und waren sehr fragil.
 
Thermionische Vakuumröhren verwenden ein Eingangssignal, um den elektrischen Stromfluss zwischen Elektroden zu steuern. Die Röhren erfordern einen erhitzten Glühfaden in einem Vakuum, was zusätzlichen Energieverbrauch verursacht und sie anfällig für katastrophales Versagen macht.
 
Festkörper-Feldeffekttransistoren wurden erstmals 1925 von dem Physiker Julius Edgar Lilienfeld in Kanada patentiert, und anschließend 1926 und 1928 in den USA. Diese Patente identifizierten die Prinzipien von Festkörpertransistoren und deren Verwendung als alternative Lösung zu thermionischen Vakuumröhren, aber Lilienfelds Anerkennung als Großvater der Transistortechnologie endete hier. In den 1920er Jahren war die Fähigkeit, die hochwertigen Halbleitermaterialien herzustellen, die nötig waren, um Lilienfelds Konzepte umzusetzen, noch nicht erfunden.
 
Der erste funktionierende Transistor, der Spitzentransistor, wurde 1947 von den amerikanischen Physikern John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley bei Bell Labs erfunden. Ihre ursprüngliche Forschung zum Verhalten von Halbleitern war nur am Rande mit den in Lilienfelds Arbeit umrissenen Konzepten verwandt, aber ihre fehlgeschlagenen Versuche, Feldeffekttransistoren (FETS) zu konstruieren, führten sie zur Entdeckung und Erfindung von bipolaren Spitzen- und Übergangstransistoren. Shockley reichte im Juni 1948 das US-Patent für die erste bipolare Übergangstransistor-Technologie ein.
 
Interessanterweise forschten die deutschen Physiker Herbert Matare und Heinrich Welker, die für eine Westinghouse-Tochtergesellschaft in Paris arbeiteten, Anfang 1948 zu sehr ähnlichen Themen. Nach ihren anschließend gemachten Entdeckungen und der Erkenntnis, dass sie im Transistorforschungswettlauf mit Shockleys Team standen, reichten sie am 13. August 1948 ihr erstes Transistor-Patent in Frankreich ein.
 
Anfang der 1950er Jahre wurden Transistoren bereits in kleinem Maßstab für die Verwendung in der Funkkommunikation produziert. Während der Mitte der 1950er Jahre folgten mehrere wegweisende Entdeckungen und Produkte:

• Bell Labs entwickelte am 26. Januar 1954 den ersten brauchbaren 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 serienmäßig produzierte All-Transistor-Autoradio wurde von Chrysler und Philco entwickelt und am 28. April 1955 vorgestellt.
• Das erste in Massenproduktion hergestellte Transistorradio, das Sony TR-63, wurde 1957 veröffentlicht und verkaufte sieben Millionen Einheiten, was zur Massenakzeptanz von Transistorradios Ende der 1950er und Anfang der 1960er Jahre führte.

Die globale Bedeutung des Transistors

In weniger als einem Jahrzehnt nach ihrer Einführung revolutionierte der Transistor die moderne Elektronik und Forschungsinstitute. Physiker auf der ganzen Welt deckten eifrig das Potenzial der Transistortechnologie auf.
 
William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain von Bell Labs erhielten 1956 den Nobelpreis für Physik „für ihre Forschungen an Halbleitern und ihre Entdeckung des Transistoreffekts“. Während diese Auszeichnung enorme Anerkennung genießt, war der Einfluss auf die Menschheit und die zukünftige Technologie weitaus bedeutender.
 
Transistoren sind zur Grundlage für nahezu jedes elektronische Gerät, jedes elektrische System und jede Branche weltweit geworden. Im Jahr 2022 wird erwartet, dass die globale Halbleiterchipindustrie die Marke von 600 Milliarden Dollar überschreitet.
 
Egal, ob Sie Fluglotse in Australien, Banker in Belgien, Autohändler in Kanada, Lehrer in Ägypten, Landwirt in Frankreich, Wertpapieranleger in Singapur oder Videospieler in Venezuela sind, Sie nutzen Transistortechnologie in Ihrem Alltag. Die Erfindung des Transistors ist möglicherweise die wichtigste Erfindung des 20. Jahrhunderts. Ohne Transistoren hätten alltägliche grundlegende Technologien wie das Internet, Mobiltelefone, die moderne Medizin und der moderne Transport möglicherweise nie existiert.