Filigrane Flächen: Wie der Transistor in die Welt kam

Silizium-Wafer mit modernen Chips von AMD

Bildbeschreibung:
Silizium-Wafer mit modernen Logik-Chips (AMD K6-2). Neueste Designs bringen 35 Millionen Transistoren auf der Fläche eines Daumennagels unter. Um 2012 herum dürfte die Industrie auf eine prinzipielle Schranke für weitere Verkleinerungen stoßen: die Körnigkeit der Materie.
(Quelle: Advanced Micro Devices)

Für die Elektronik war die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts das Zeitalter der Elektronenröhre. Sie erlaubte die Entwicklung des Radios, der Telekommunikation, des Fernsehens und der ersten digitalen Computer. Letztere hatten allerdings den Stromverbrauch einer Kleinstadt und lagen häufig still - die Röhren waren unzuverlässig. Die Industrie suchte nach einer Alternative in der Gestalt eines festen, kristallinen Verstärkers für schnelle elektrische Schwingungen.

Der Vorläufer der ersten wirklich tauglichen Kristallverstärker entstand am 23. Dezember 1947, als Walter Brattain in den New Yorker Bell Laboratories ein mit einer dünnen Goldschicht bedampftes Plastikdreieck nahm, mit einer Rasierklinge einen Schlitz quer über die Dreiecksspitze machte und die geschlitzte Spitze mittels einer verbogenen Büroklammer auf einen Germaniumblock presste. Diese Anordnung verschiedener Elektroden an einem Kristall verstärkte bei Zimmertemperatur Wechselspannungssignale mit Frequenzen im Kilohertz-Bereich, erreichte also das "hohe C". Der Transistor war erfunden.

Das Ergebnis schien Brattains Arbeitsgruppe, zu der noch John Bardeen und William Shockley gehörten, so bemerkenswert, dass sie das Militär zu Rate zog: ob da nicht etwas zu fördern oder gar geheimzuhalten sei. Das Militär verneinte nach einem kurzen Blick auf die Erfindung, und die Bell Laboratories stellten den Transistor am 30. Juni 1948 der Öffentlichkeit vor.

Nachbau des allerersten Transistors (1948)

Bildbeschreibung:
Der Ur-Transistor, ein Replikat:
Zwei dicht benachbarte Kontakte, der Emitter und der Kollektor, werden mittels einer Büroklammer auf die Oberfläche eines Germanium-Kristalls, die Basis, gepresst. Das v-förmige Objekt ist ein mit einem Goldband überzogenes Plastikdreieck, das an der Spitze mit einer Rasierklinge geritzt wurde, um die dicht benachbarten Kontakte zu schaffen.
(Foto: FZ Jülich, W.P. Schneider)

Die war nicht sonderlich beeindruckt. Die New York Times schrieb anderntags auf der vorletzten Seite: "Gestern wurde von den Bell-Telephone-Laboratories, 463 West Street, zum erstenmal ein Transistor genanntes Bauelement vorgestellt, das in einem Radio Verwendung finden und die bisher übliche Vakuumröhre ersetzen kann ... Es wurde aber behauptet, dass man mit dem Transistor auch Radiowellen erzeugen und empfangen könne ..."

Ein eher lauwarmer Empfang für eine der folgenreichsten Erfindungen in der Geschichte der Menschheit, die - schließlich in der Gestalt des Elements Silizium - zu einem wahren Stein der Weisen mutieren sollte.

Die Massenfertigung von Bauelementen aus Silizium begann um 1960, als es gelang, Silizium hochrein herzustellen. Silizium ist ein "Halbleiter", ein Stoff mit besonderen elektronischen Eigenschaften. Das Element wurde schnell zum Material der Wahl, weil es, zum einen - als Siliziumdioxid in gewöhnlichem Quarzsand steckend - sehr verbreitet und damit billig ist. Zum anderen bildet Silizium an seiner Oberfläche einen sehr stabilen, fest haftenden, bestens isolierenden Oxidfilm aus, wenn es unter Sauerstoff erhitzt wird. Dieser Film lässt sich fotolithografisch zu einer filigranen Maske ätzen, durch deren Aussparungen Fremdatome so in das Silizium einwandern, dass kleine Transistoren und andere elektronische Komponenten entstehen. Silizium macht mithin "integrierte Schaltungen" möglich, in denen viele miteinander verbundene Transistoren, Dioden, Widerstände, Kondensatoren auf einem Siliziumkristallstück, dem "Chip", arrangiert sind.

Computergedächtnis

Schnüffel-Chip: Herzstück einer elektronischen Nase

Bildbeschreibung:
Schnüffel-Chip
Pfenniggroßes Herzstück einer elektronischen Nase, die
unterschiedlichste Gase erschnuppern kann.
(Quelle: FZ Karlsruhe)

Die Rechenleistung moderner Chips hätte wenig Wert, stünde ihr nicht ein großes, schnelles Gedächtnis in der Gestalt einer Festplatte zur Seite. Die Entwicklung der Festplattenspeicher ist ein weiterer Triumph der Festkörperphysik, die der Chip-Entwicklung an Dynamik nicht nachsteht. Die Kapazität der Festplattenspeicher stieg in den 1980er Jahren bis zu 30 Prozent pro Jahr; das jährliche Wachstum beschleunigte sich in den 1990ern auf 60 Prozent. Derzeit verdoppeln sich die Festplattenkapazitäten alle neun Monate und lassen damit die Verdopplungsraten der Chip-Leistung weit hinter sich. Der rasante Fortschritt wird von einem Effekt beflügelt, der zwischen 1986 und 1988 bei Grundlagenstudien am Forschungszentrum Jülich entdeckt wurde: Magnetfelder verändern in einem Stapel hauchdünner Metallschichten den elektrischen Widerstands. Die Entdeckung dieses Riesen-Magnetowiderstandseffekts (engl. giant magnetoresistance effect, kurz GMR) wurde 1998 mit dem Zukunftspreis des Bundespräsidenten ausgezeichnet.

Meilensteine der Speichertechnik

Bildbeschreibung:
Entwicklung der Speichertechnik: Von den frühen Lochkarten (die abgebildeten sind ungestanzt) über den Ringkernspeicher aus den 1960ern (512 Byte) bis zur Festplatte Baujahr 1998 (340 Megabyte).
(Quelle: FZ Jülich, W.P. Schneider und IBM)

Das Phänomen lässt sich nutzen, um extrem empfindliche Magnetfeld-Sensoren herzustellen, etwa für die Leseköpfe neuer Festplattenspeicher. Wie dicht Informationen auf eine Festplatte gepackt werden können - die Kleinheit der magnetischen Schrift - hängt von der Empfindlichkeit ab, mit der ein Lesekopf Änderungen der magnetischen Feldstärke wahrnimmt. GMR-Sensoren sind hier besonders feinfühlig. Die mit GMR-Technik bald mögliche Speicherdichte wird auf mindestens zehn Gigabit pro Quadratzentimeter geschätzt. Das ist ungefähr die hundertfache Speicherdichte einer CD.

Optische Speicher für Hollywood

Gleichermaßen interessant ist die Fortentwicklung optischer Speichermethoden. Ein neuartiges, bei Bayer-Leverkusen entwickeltes "photoadressierbares Polymer" (PAP) wechselt unter Laserbestrahlung seine Molekülstruktur. Eine punktuelle Veränderung, die sich wiederum mit Laserlicht, diesmal abgeschwächtem, auslesen lässt. Das Material ist geeignet für die holographisch-optische Speicherung, die auch das Volumen, die Tiefe, eines Materials ausnutzt. Ein Polymerspeicher von der Größe einer CD würde mit dieser Technik mehr als das Tausendfache des Informationsgehaltes einer herkömmlichen CD tragen. Mehr noch: die Schreib- und Lesegeschwindigkeit wäre mit einigen Gigabit pro Sekunde für Multimedia-Anwendungen mehr als schnell genug; die ersten, in vielleicht fünf Jahren zu erwartenden Produkte sollen denn auch Speicher für die Filmindustrie sein.

Einkristall aus Silizium

Bildbeschreibung:
Einkristall
Das hochreine Material für Silizium-Wafer wird durch langsames Drehen und Ziehen eines
Kristallkeims aus einer Siliziumschmelze herangezüchtet. Der bislang übliche Durchmesser
von 20 Zentimetern soll jetzt auf 30 Zentimeter vergrößert werden; die Industrie erhofft
sich davon eine weitere Erhöhung der Produktivität.
(Quelle: Wacker Siltronic)

Polymere: Speicher der Zukunft?

Bildbeschreibung:
PAP auf molekularer Ebene: Die stäbchenförmigen Moleküle liegen im "unbeschriebenen" Polymerfilm völlig ungeordnet vor (Bild oben). Um Information zu speichern, wird der Polymerfilm mit Laserlicht bestrahlt, dadurch richten sich die Moleküle aus - das PAP wird beschrieben.
(Quelle: Bayer)