Der moderne elektronische Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das üblicherweise zur Verstärkung oder Umschaltung elektronischer Signale verwendet wird. Ein Transistor besteht aus einem massiven Stück eines Halbleitermaterials mit mindestens drei Anschlüssen für den Anschluss an eine externe Schaltung. Eine Spannung oder ein Strom, der an ein Paar der Transistoranschlüsse angelegt wird, verändert den Strom, der durch ein anderes Paar von Anschlüssen fließt. Da die gesteuerte (Ausgangs-)Leistung viel größer sein kann als die steuernde (Eingangs-)Leistung, sorgt der Transistor für die Verstärkung eines Signals. Der Transistor ist der Grundbaustein moderner elektronischer Geräte und wird in Radio, Telefon, Computer und anderen elektronischen Systemen verwendet. Einige Transistoren werden einzeln verpackt, die meisten sind jedoch in integrierten Schaltkreisen zu finden.

Wie bei vielen Erfindungen ist auch der Transistor das Ergebnis der Arbeit vieler Erfinder, und nur der letzte oder der klügste erhält den ganzen Ruhm. In diesem Fall waren es die Amerikaner John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain, die 1956 den Nobelpreis für Physik für die Erfindung des Transistors erhielten, der als die wichtigste Erfindung des 20. Jahrhunderts bezeichnet wurde

Wer aber war der erste?

Der Beginn der Halbleiterforschung wird durch Michael Faradays Bericht von 1833 über den negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands von Silbersulfid markiert. Dies ist die erste Beobachtung einer Halbleitereigenschaft. In seinem 1833 erschienenen Werk „Experimental Researches in Electricity“ (siehe nebenstehendes Porträt) legte Faraday diese Beobachtung offen. Diese Beobachtung unterschied sich von den üblichen Eigenschaften von Metallen und Elektrolyten, bei denen der Widerstand mit der Temperatur ansteigt.

Der nächste bedeutende Beitrag zum Gebiet der Halbleiter war der französische Experimentalphysiker Edmond Becquerel. Im Jahr 1839 berichtete er über die Beobachtung von Photospannungen an mit Silberchlorid beschichteten Platinelektroden. In seinem Experiment wurde eine mit AgCl beschichtete Platinelektrode in eine wässrige Salpetersäure-Elektrolytlösung getaucht. Durch die Beleuchtung der Elektrode wurde eine Photospannung erzeugt, die die von der Zelle erzeugte EMK veränderte, und zwar in Form eines reduktiven (kathodischen) Photostroms an der AgCl-beschichteten Elektrode; dies war das erste gemeldete photovoltaische Gerät. Die Photospannung wurde an dem Ag/AgCl-Metall-Halbleiterkontakt erzeugt.

Im Jahr 1873 entdeckte der englische Elektroingenieur Willoughby Smith (1828-1891) (siehe nebenstehendes Porträt) die Photoleitfähigkeit von Selen. Er arbeitete zunächst mit Unterseekabeln. Er begann mit Selen zu experimentieren, weil es einen hohen Widerstand aufwies, der ihm für seine Unterwassertelegrafie geeignet erschien. Verschiedene Experimentatoren maßen den Widerstand von Selenstäben, aber die von ihnen unter verschiedenen Bedingungen gemessenen Widerstände stimmten überhaupt nicht überein. Dann entdeckte Smith, dass der Widerstand tatsächlich von der Intensität des einfallenden Lichts abhing. Wenn die Selenstäbe in eine Schachtel mit geschlossenem Schiebedeckel gelegt wurden, war der Widerstand am höchsten. Wenn Gläser verschiedener Farben in den Lichtweg gestellt wurden, variierte der Widerstand je nach der Lichtmenge, die durch das Glas fiel. Wurde jedoch der Deckel entfernt, nahm die Leitfähigkeit zu. Er fand auch heraus, dass der Effekt nicht auf Temperaturschwankungen zurückzuführen war.

Im Jahr 1874 untersuchte der deutsche Physiker Ferdinand Braun (siehe nebenstehendes Porträt), ein 24-jähriger Absolvent der Universität Berlin, an der Universität Würzburg die Eigenschaften von Elektrolyten und elektrisch leitenden Kristallen. Als er einen Bleiglanzkristall (Bleisulfid) mit der Spitze eines dünnen Metalldrahtes untersuchte, stellte Braun fest, dass der Strom nur in einer Richtung frei floss. Er hatte den Gleichrichtereffekt an der Kontaktstelle zwischen Metallen und bestimmten Kristallmaterialien entdeckt.
Braun demonstrierte diese Halbleitervorrichtung am 14. November 1876 in Leipzig, aber sie fand keine nützliche Anwendung bis zum Aufkommen des Radios in den frühen 1900er Jahren, als sie als Signaldetektor in einem „Kristallradio“ verwendet wurde. Der Name „Katzenschnurrbart“-Detektor leitet sich von der feinen Metallsonde ab, die zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit der Kristalloberfläche verwendet wird. Braun ist besser bekannt für seine Entwicklung des Kathodenstrahl-Oszilloskops (CRT) im Jahr 1897, das als Braunsche Röhre“ bekannt ist. Er teilte sich den Nobelpreis 1909 mit Guglielmo Marconi für seine Beiträge zur Entwicklung der drahtlosen Telegrafie, vor allem für die Entwicklung abstimmbarer Schaltungen für Funkempfänger.

Der erste Mensch, der Halbleiter für praktische Zwecke einsetzte, war der bengalische Universalgelehrte Sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937). Jagadish Chandra Bose (siehe nebenstehendes Porträt) war ein genialer Physiker, Biologe, Botaniker, Archäologe und Autor von Science-Fiction. Um die Strahlung zu empfangen, verwendete er eine Vielzahl verschiedener Metall-Halbleiterverbindungen, die mit einem hochempfindlichen Galvanometer in Reihe geschaltet waren. Er erfand mehrere Halbleitergeräte, von denen das erste sein Bleiglanzdetektor war, den er irgendwann zwischen 1894 und 1898 erfand und 1900 im Royal Institution Discourse vorstellte. Bei diesem Gerät wurde ein Paar von Punktkontakten (Katzenschnurrhaare), in diesem Fall aus Bleiglanz, in Reihe mit einer Spannungsquelle und einem Galvanometer geschaltet. Dieses Gerät konnte jede Art von Strahlung aufspüren, Hertz’sche Wellen, Lichtwellen und andere Strahlungen. Er nannte seinen Galena-Punktkontaktdetektor eine künstliche Netzhaut (weil er durch geeignete Anordnung nur Lichtwellen erkennen konnte), ein universelles Radiometer. Später erhielt Bose das erste Patent der Welt für ein Halbleiterbauelement, nämlich für den Galena-Detektor. Zu seinen anderen bahnbrechenden Festkörper-Halbleiterempfängern gehören der Spiralfeder-Kohärentapparat und der Eisen-Quecksilber-Eisen-Kohärentapparat (Detektor) mit Telefon.

Zwischen 1902 und 1906 untersuchte der amerikanische Telefon- und Telegrafen-Elektroingenieur Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) (siehe nebenstehendes Porträt) Tausende von Mineralproben, um deren Gleichrichtereigenschaften zu beurteilen. Siliziumkristalle von Westinghouse lieferten einige der besten Ergebnisse. Am 20. August 1906 meldete er ein US-Patent über „Mittel zum Empfang intelligenter Kommunikation durch elektrische Wellen“ für einen Silizium-Punktkontaktdetektor (Diode) an, das im November desselben Jahres erteilt wurde (siehe das US-Patent 836531 von Pickard). Zusammen mit zwei Partnern gründete Pickard die Wireless Specialty Apparatus Company, um „cat’s-whisker“-Kristallfunkdetektoren zu vermarkten. Es war wahrscheinlich das erste Unternehmen, das Silizium-Halbleiterbauteile herstellte und verkaufte. Ein anderer amerikanischer Erfinder, Henry Dunwoody, erhielt nur wenige Wochen nach Pickard ein Patent auf ein System mit einem Punktkontaktdetektor aus Karborund (Siliziumkarbid).

Im Jahr 1915 entdeckte der amerikanische Physiker Manson Benedicks, dass ein Germaniumkristall dazu verwendet werden kann, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, d.h. die gleichrichtenden Eigenschaften von Germaniumkristallen. Damit wurde das Germanium in die Liste der Halbleiter aufgenommen. Bis dahin war die Liste kurz und bestand aus Silizium, Selen und Tellur.

Im Jahr 1927 erfanden die Amerikaner L.O. Grondahl und P.H. Geiger den Kupferoxid-Gleichrichter. Das US-Patent 1640335 wurde am 23. August 1927 für Grondahl erteilt.

Im Jahr 1925 meldete der berühmte Erfinder Julius Lilienfeld (siehe nebenstehendes Foto) in Kanada und im darauffolgenden Jahr in den USA ein Patent an, in dem er ein Gerät beschrieb, das einem MESFET-Transistor sehr ähnlich war und das er damals „Method and Apparatus for Controlling Electric Currents“ nannte (siehe das US-Patent 1745175 von Lilienfeld).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) war eine bemerkenswerte Persönlichkeit auf dem Gebiet der Physik und Elektronik. Der österreichische Jude Lilienfeld wurde in Lemberg in Österreich-Ungarn (heute Lviv in der Ukraine) geboren. Er wurde ausgebildet (Doktor der Physik) und lebte bis Mitte der 1920er Jahre in Deutschland, als er beschloss, in die USA auszuwandern. Neben dem oben erwähnten Patent für den ersten Transistor war er Inhaber mehrerer anderer Patente auf diesem Gebiet – das US-Patent 1900018 „Device for controlling electric current“ von 1928 für einen Dünnfilm-MOSFET-Transistor; das US-Patent 1877140 „Amplifier for electric currents“ von 1928 für ein Festkörpergerät, bei dem der Stromfluss durch eine poröse Metallschicht gesteuert wird, eine Festkörperversion der Vakuumröhre; das US-Patent 2013564 „Electrolytic condenser“ von 1931 für den ersten Elektrolytkondensator. Als Brattain, Bardeen und Shockley versuchten, ein Patent auf ihren Transistor zu erhalten, wurden die meisten ihrer Ansprüche abgelehnt, und zwar aufgrund der Lilienfeld-Patente.

Im Jahr 1934 meldete ein anderer deutscher Wissenschaftler, Oskar Heil (1908-1994), Elektroingenieur und Erfinder, ein deutsches Patent für ein frühes transistorähnliches Gerät an, in dem er die Möglichkeit beschrieb, den Widerstand in einem halbleitenden Material mit einem elektrischen Feld zu steuern, was er als „Verbesserungen in oder in Bezug auf elektrische Verstärker und andere Steueranordnungen und -geräte“ bezeichnete. Im Jahr 1935 erhielt Heil ein britisches (siehe nebenstehende Zeichnung des britischen Patents), ein belgisches und ein französisches Patent für sein Gerät.

Im Jahr 1939 unternahmen William Shockley und Walter Brattain, Forscher in den Bell Telephone Labs in New Jersey, einen erfolglosen Versuch, einen Halbleiterverstärker zu bauen, indem sie ein winziges Steuergitter in eine Kupferoxidschicht einfügten. Der Zweite Weltkrieg setzte ihren Experimenten ein Ende. Im Jahr 1947 erfand jedoch derselbe Brattain, diesmal zusammen mit John Bardeen, den Punktkontakttransistor (siehe nebenstehendes Foto des ersten Transistors aus Germanium). William Shockley (der Leiter des Teams) war zu dieser Zeit nicht anwesend und erhielt keine Anerkennung für die Erfindung, was ihn sehr verärgerte. Und das ist auch gut so. Der Punktkontakttransistor war schwierig herzustellen und nicht sehr zuverlässig. Es war auch nicht der Transistor, den Shockley wollte, also arbeitete er weiter an seiner eigenen Idee, die zum Sperrschichttransistor führte, der einfacher herzustellen war und besser funktionierte. Bardeen und Brattain meldeten am 17. Juni 1948 ein Patent an, das am 3. Oktober 1950 erteilt wurde (siehe das Patent).

William Shockley meldete sein erstes Patent für den Sperrschichttransistor fast zur gleichen Zeit an – das US-Patent 2569347 wurde am 26. Juni 1948 angemeldet und am 25. September 1951 erteilt (siehe das erste Patent von Shockley).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) und Walter Houser Brattain (1902-1987), (siehe unteres Foto) teilten sich 1956 den Nobelpreis für Physik „für ihre Forschungen über Halbleiter und ihre Entdeckung des Transistoreffekts“.

Bardeen (links), Shockley (Mitte) und Brattain (rechts)

Wie funktioniert ein Transistor?

Der Aufbau eines Transistors ermöglicht es ihm, als Verstärker oder Schalter zu funktionieren. Dies wird dadurch erreicht, dass eine kleine Menge an Elektrizität verwendet wird, um ein Tor für eine viel größere Menge an Elektrizität zu steuern, ähnlich wie das Drehen eines Ventils, um die Wasserzufuhr zu steuern.
Transistoren bestehen aus drei Teilen, die Basis, Kollektor und Emitter genannt werden. Die Basis ist der Gate-Controller für die größere elektrische Versorgung. Der Kollektor ist die größere elektrische Versorgung, und der Emitter ist der Ausgang für diese Versorgung. Durch das Senden unterschiedlicher Stromstärken von der Basis kann die Strommenge, die vom Kollektor durch das Gate fließt, reguliert werden. Auf diese Weise kann eine sehr kleine Strommenge verwendet werden, um eine große Strommenge zu steuern, wie in einem Verstärker. Der gleiche Prozess wird verwendet, um den binären Code für die digitalen Prozessoren zu erzeugen, aber in diesem Fall ist eine Spannungsschwelle von fünf Volt erforderlich, um das Kollektorgate zu öffnen. Auf diese Weise wird der Transistor als Schalter mit binärer Funktion verwendet: fünf Volt – EIN, weniger als fünf Volt – AUS.