Ein elektronischer Transistor wird von einer Pinzette gehalten. (Foto: IMAGO, IMAGO / Science Photo Library)

Elektrotechnik

Das Herz des Mikrochips – 75 Jahre Transistor

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David Beck
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Lilly Zerbst

Er steckt milliardenfach in jedem modernen Computer. Am 23. Dezember 1947 wurde der Transistor erstmals in den USA präsentiert. Neun Jahre später erhielten John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain von den Bell Laboratories für ihre Entwicklung den Nobelpreis für Physik.

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Der erste Computer Z3 läuft mit elektromechanischen Schaltern

Computer bestehen im Grunde aus einer Reihe von Schaltern, die sich gegenseitig an- und ausschalten können. Der deutsche Computerpionier Konrad Zuse versuchte zunächst mechanische Schalter zu verwenden, die sich allerdings ständig verhakten. Seinen ersten Prototypen, den Z1, baute er nie fertig. Im Z2 testete er dann den Einsatz von elektromechanischen Relaisschaltern und konnte dann mit dem Z3 er vor gut 80 Jahren den ersten funktionsfähigen Computer der Welt entwickeln.

Nachbau des weltweit ersten Computers Z3 von Konrad Zuse. (Foto: IMAGO, IMAGO / Eventpress)
Vor über 80 Jahren stellte Konrad Zuse den ersten programmierbaren Computer der Welt vor, den Zuse Z3 – die wohl einflussreichste Erfindung des 20. Jahrhunderts. Im Bild ist ein Nachbau im Technik Museum am Gleisdreieck in Berlin zu sehen. IMAGO / Eventpress

Das Gerät war aber noch sehr langsam, sagt Dr. Joachim Burghartz, Direktor des Instituts für Mikroelektronik Stuttgart. Dementsprechend hat man versucht, elektronische Schalter zu entwickeln:

"Das waren damals Elektronenröhren, die aber sehr voluminös und gewichtsträchtig sind, wenn sie im Computer dann vielfach eingebaut werden.“

Erste Computer füllten ganze Räume

Der erste kommerzielle Computer, der ENIAC, setzte solche Elektronenröhren ein. Mit fast 17.500 davon beanspruchte er eine Fläche von 170 Quadratmetern und wog 27 Tonnen. Würde man ein heutiges Smartphone mit dieser Technologie bauen, dann wäre es aufgestellt etwa 400 bis 500 Meter hoch, berechnete der Buch- und Web-Comicautor Randall Munroe.

Der Electronic Numerical Integrator and Computer (kurz:ENIAC) in den späten 40-er Jahren füllt einen ganzen Raum. (Foto: IMAGO, IMAGO / Everett Collection)
Mit einem ENIAC Computer gelang 1950 die erste Wettervorhersage. Einen ganzen Tag brauchte der Computer für die Berechnungen. Später wurde der Code mit einem Nokia 3600 nachberechnet: In weniger als einer Sekunde war das Ergebnis da. IMAGO / Everett Collection

Transistor-Idee kam 20 Jahre vor der Umsetzung

Wollte man leistungsfähigere Computer bauen, dann musste etwas Kleineres her – etwas wesentlich Kleineres: Der Transistor.

Berühmt für dessen Erfindung sind heute die drei Physiker US-amerikanischen William Schockley, John Bardeen und Walter Brattain. Doch die Idee zu dem Schalter patentierte der österreich-ungarische Physiker Julius Edgar Lilienfeld bereits 1925. Damals lies sich die Idee aber noch nicht umsetzen, da die Technologie, den Werkstoff Silizium zu bearbeiten, bis dahin nur schlecht beherrscht wurde, so Burghartz.

Halbleiter sind der Schlüssel zum elektrischen Schalter

Lilienfeld erkannte, dass sich ein Halbleiter wie Silizium oder Germanium als elektronischer Schalter einsetzen ließ. Dafür müssen zwei Kontakte aus leitendem Halbleitermaterial durch eine Schicht aus zunächst nichtleitendem Material getrennt werden, den sogenannten Gap.

Wenn man diesen Gap durch ein elektrisches Feld beeinflusst, kann man einen verbindenden Kanal zwischen den Kontakten herstellen, oder diesen unterbinden also ein Schalter, erklärt Burghartz.

Geburtsstunde des Mikrochips

Zwar waren die ersten Transistoren, die Shockley, Bardeen und Brattain bauten, noch ungefähr handflächengroß und damit nicht viel kleiner als die Elektronenröhren, aber sie wurden schnell kleiner und kleiner.

Auf dem Weg zu heutigen Computern gab es in den 50er-Jahren noch einen weiteren Durchbruch: Statt nur einem Transistor pro Silizium-Platte, begann man mehrere, direkt miteinander verdrahtete Transistoren auf einem Stück Silizium unterzubringen – die Geburtsstunde des Mikrochips. Ganze Schaltungen wurden in einem Chip verbaut.

Auf einem unförmigen Stück metallisch glänzendem Silizium liegt ein bläulicher Mikrochip. (Foto: IMAGO, IMAGO / agefotostock)
Viele Mikrochips werden aus Silizium hergestellt. Im Englischen wir "Silizium" mit "silicon" übersetzt, welches dem Hightech-Industriestandord silicon valley im Südwesten der USA seinen Namen gibt. IMAGO / agefotostock

Exponentieller Fortschritt: Transistoren werden immer kleiner

Gordon Moore erkannte ein Muster: Alle zwei Jahre verdoppelte sich die Anzahl der Transistoren pro Chip. Das wurde bekannt als Moore’s Law, Moore’s Gesetz.

Der Intel 4004, der erste kommerzielle Mikroprozessor, hatte noch 2.250 Transistoren. Über die Jahrzehnte wurden die Transistoren immer kleiner und immer mehr passten auf einen Chip. Heutige Prozessoren, haben mehr als 10 Milliarden Transistoren. Der M1 Ultra von Apple verbindet zwei Chips zu einem und kommt so sogar auf 114 Milliarden Transistoren. Mittlerweile kann man diese nur noch unter dem Elektronenmikroskop sehen.

Transistor erreicht physikalisches Limit

Allerdings kann das nicht ewig so weitergehen. Transistoren heute sind kleiner als 100 Nanometer. Das ist 500 Mal dünner als ein menschliches Haar. Viel kleiner können sie nicht mehr werden, denn sonst springt der elektrische Strom einfach von einem Kontakt zum anderen – der Schalter kann also nicht mehr ausgeschaltet werden.

3D Illustration einer Mikroskopaufnahme eines menschlichen Haars. (Foto: IMAGO, IMAGO / agefotostock)
Ein menschliches Haar ist durchschnittlich circa 0.05 Millimeter dick. Das ist 500 Mal dicker als ein heutiger Transistor. IMAGO / agefotostock

Würde man den ENIAC mit seinen 17.500 Elektronenröhren aus modernen Transistoren bauen, dann wäre der ganze Computer kleiner als ein Puderzuckerkristall – und damit für das menschliche Auge nicht mehr sichtbar.

Ersetzten Quantencomputer den elektrischen Schalter?

Transistoren sind in fast jedem Gerät verbaut, mit dem wir tagtäglich zu tun haben. Und jetzt, wo die physikalischen Grenzen beinahe erreicht sind, tut sich am Horizont eine mögliche Nachfolgetechnologie auf: Quantencomputer. Sie können theoretisch mit viel weniger Bauteilen deutlich mehr Leistung erreichen, als das heute mit Transistoren möglich ist.

Doch die Technologie steckt in den Kinderschuhen. Erste Quantencomputer sind noch Einzelstücke und Forschungsobjekte. Es ist also noch nicht einmal die ENIAC-Stufe der Quantencomputer erreicht. Bis sie einmal den Transistor ablösen, wird es also noch dauern. Mit 75 Jahren gehört er also noch lange nicht zum alten Eisen – oder zum alten Halbleiter.

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