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Halbleiter_Transistoren_und_Mikroelektronik

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Halbleiter, Transistoren und Mikroelektronik

Autor(en):
Alfred Kirpal, Hans W. Becker, Jörg Berkner


Prototyp Kamerachip mit mixed-Signal Schaltungen und High Dynamic Range Funktionalität in Standard CMOS Technologie, M. Schanz, 1998

"Feste Stoffe haben den großen kulturgeschichtlichen Epochen der Menschheit ihren Namen verliehen. Stein, Bronze und Eisen haben umwälzende Veränderungen verursacht, als man gelernt hatte, diese Materialien als Werkzeuge und Werkstoffe einzusetzen. In der zweiten Hälfte unseres Jahrhunderts deutet sich immer klarer eine weitere Umwälzung an. Kristalle mit ganz besonderen elektrischen Eigenschaften und vielfältigem Nutzen erobern sich überall neue Anwendungen. Es sind die Kristalle der Halbleiter; sie sind die Substanz, aus der die moderne Mikroelektronik entsteht.
Wahrscheinlich wird das Zeitalter nach dem Kristall benannt werden, der schon heute mit seinen besonderen Eigenschaften die Szene beherrscht: Diese neue Epoche wird vielleicht Siliziumzeit heißen". (Hans-Joachim Queisser, 1985).
Mit dem Abstand von 20 Jahren wird man Zweifel anmelden müssen, ob es bei der "Siliziumzeit" bleiben wird, denn andere Materialien, Materialkombinationen und im Molekularen beruhende Phänomene versprechen eine weitere Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit und Komplexität mikroelektronischer Schaltungen bei gleichzeitiger Verringerung der Verlustleistung. Alternativen zur bisherigen Siliziumelektronik werden sich durch veränderte Technologien und auch durch neue Funktionalitäten und Schaltungskonzepte auszeichnen. Aber ganz zweifellos haben vor allem die auf der Nutzung von Silizium als Halbleitermaterial, die Ausarbeitung von Wirkprinzipien und technologischen Verfahren und immer komplexere Bauelementelösungen die Elektronikentwicklung im 20. Jahrhundert entscheidend beeinflusst und deren Produkte zu Massenprodukten werden lassen. Transistor, integrierter Schaltkreis, Mikroprozessor und Halbleiterspeicher sind Schlüsselereignisse und Marksteine dieser Entwicklung.
Erfindergeist und Forscherdrang waren stets auf Verkleinerung der Bauelemente, Zusammenfassung zu elektronischen Schaltungen, Verbesserung der elektrischen Parameter, Kostenverringerung und auf Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten gerichtet. So sind Elektronikprodukte heute in allen Bereichen der Industrie und des täglichen Lebens anzutreffen und haben entscheidend Einfluss auf unser Leben insgesamt genommen.
Der Erfindungsweg der Halbleiter-, Transistor und Mikroelektronik soll von der frühen Erkenntnis halbleiterphysikalischer Phänomene, über die Realisierung diskreter Halbleiterbauelemente bis zur Entwicklung integrierter Halbleiterschaltkreise mit den nachfolgend genannten Ereignissen nachgezeichnet werden. Er ist von den Leistungen einzelner Forscher und Teams ebenso bestimmt wie durch die immer aufwändiger werdenden Forschungen der Industrie.
Die Vielfalt der Ereignisse und auch das Geheimhalten insbesondere von Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikroelektroniktechnologie machen eine umfassende zeitnahe Darstellung schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Deshalb kann die Darstellung und Bewertung der an die Gegenwart heranreichenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten nur episodenhaft sein. Gleichwohl sollte auf sie, wie in anderen historischen Darstellungen zur Elektronikentwicklung meist anzutreffen, nicht völlig verzichtet werden.

Chronik:
1729 Entdeckung des Unterschiedes zwischen elektrischen Leitern und Nichtleitern: S. Gray.
1811 Darstellung von Silizium (für die spätere Halbleitertechnik ein wichtiger Halbleiterwerkstoff): L. J. Gay-Lussac und L. J. de Thenard.
1817 Darstellung des Selens (für die weitere Halbleiterentwicklung in den 1920er bis 1950er Jahren ein wichtiger Halbleiterwerkstoff, z. B. für Selen-Gleichrichter und Selen-Fotodioden und Fotowiderstände): J. J. Berzelius.
1833 Entdeckung des negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von Silbersulfid (wesentliches Merkmal von Halbleitern), Ausdehnung dieser Beobachtung auf Antimonoxid, Quecksilberjodid und auf Bleisulfid: M. Faraday.
1851 Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit des Selens, Feststellen eines negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes: J. W. Hittorf.
1873 Nutzung des Selens für die Prüfung der elektrischen Leitfähigkeit von Kabeln, dabei Entdeckung der Abhängigkeit der Leitfähigkeit nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der umgebenden Helligkeit (Urform des Fotowiderstandes): W. Smith.
1874 1874 - 1883 Untersuchung der Stromleitung durch Schwefelmetalle, Beobachtung des Einflusses der Kontaktstellen und der Kontaktmaterialien (impliziter Hinweis auf die spätere Randschichttheorie von W. Schottky): F. Braun.
1879 Entdeckung der Ablenkung von fließenden Elektronen in einem Metall durch ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung (Hall-Effekt, später als wichtige Messmöglichkeit zur Feststellung des Leitfähigkeitstyps von Halbleitern entwickelt):E. H. Hall.
1906 ab 1906 Verwendung von Detektoren (HL-Gleichrichtern) zur Signalgleichrichtung in der Funkempfangstechnik.
1911 Einführung des Begriffs Halbleiter in die elektrophysikalische Begriffswelt: J. Koenigsberger und J. Weiss.
1918 Entwicklung des Verfahrens zum Ziehen von Einkristallen aus der Schmelze durch J. Czochralski.
1923 Vorschlag zur Nutzung der unter bestimmten Bedingungen fallenden Strom- Spannungs-Kennlinie von Halbleiterdetektoren für die Schwingungserzeugung (Verstärkerwirkung): O. W. Lossew.
1925 Entwicklung des Selengleichrichters durch E. Presser.
1925 Verwendung von Germanium als Halbleitermaterial: E. Meritt.
1926 Einreichen des US-Patentes zur Steuerung des Ladungsträgerflusses in einem Halbleiter durch elektrostatische Influenz (Prinzip des Feldeffekttransistors): J. E. Lilienfeld.
1926 Entwicklung des Kupferoxidulgleichrichters durch L. O. Grondahl.
1930 Anmeldung eines Patentes zur Steuerung des Durchlassstromes von Trockengleichrichtern durch Einfügen einer Steuerelektrode (Grundprinzip des Thyristors): Glaser, AEG.
1931 Einführung des Begriffs Defektelektronen zur Bezeichnung beweglicher positiver Ladungsträger in Halbleitern und an Grenzschichten: W. Heisenberg.
1931 Erklärung des Leitungsmechanismus in Halbleitern mit Hilfe des Bändermodelles durch A. H. Wilson.
1934 Vorschlag und Patentanmeldung in den USA für einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate durch O. Heil.
1938 Erklärung der Gleichrichterwirkung und mathematisch-physikalische Beschreibung von Metall-Halbleiter-Übergängen auf der Grundlage der Randschichttheorie: W. Schottky.
1938 Annahme einer gleichrichtenden Wirkung an einer Übergangsschicht zwischen zwei Halbleitern unterschiedlichen Leitungstyps (Voraussage des PN-Überganges) durch B. Dawydow.
1938 Vorschlag für einen Halbleiterverstärker in Analogie zur Elektronenröhre durch Einfügen eines Steuergitters in eine Halbleiterdiode: R. Hilsch und R. W. Pohl.
1939 Voraussage der Möglichkeit eines Verstärkers auf Halbleiterbasis (Eintragung in sein Arbeitsbuch): W. B. Shockley.
1940 Dotierung von N- und P-Silizium und Erfindung der Siliziumdiode: R. S. Ohl.
1942 Anmeldung eines Patentes zur Fertigung von Germaniumdioden: H. Welker.
1945 Anmeldung eines Patentes für einen Sperrschichtfeldeffekttransistor: H. Welker.
1946 1946/1947 Forschungen zu den elektrischen Eigenschaften an Halbleiteroberflächen und -grenzschichten, Einführung des Begriffes Oberflächenzustände für alle elektrisch bedeutsamen Besonderheiten an diesen Schichten durch J. Bardeen.
1947 Erfindung des Punktkontakttransistors, Vorführung eines funktionierenden Nie- derfrequenzverstärkers mit Punktkontakttransistoren: J. Bardeen und W. H. Brattain.
1947 Ausarbeitung der Theorie des flächenhaften PN-Überganges und des Bipo-lartransistors mit flächenhaften PN-Übergängen: W. B. Shockley.
1948 Erste wissenschaftliche Veröffentlichung über den Transistor im "Physical Review", "The transistor, a semiconductor triode", Autoren: J. Bardeen und W. H. Brattain.
1948 US-Patentanmeldung des Punktkontakttranistors durch J. Bardeen und W. H. Brattain, erteilt 1950.
1948 US-Patentanmeldung zum Flächenkontakttransistor durch W. B. Shockley, erteilt 1951.
1948 Einführung des Begriffes Transistor, geschaffen aus den beiden Worten Transfer und Resistor, Vorschlag von J. R. Pierce, Mitglied der Halbleiterforschungsgruppe der Bell Laboratories.
1948 Erscheinen der ersten Monographie zur Halbleitertechnik "Crystal Rectifiers", Autoren: H. C. Torrey und C. A. Whitmer.
1949 Berechnung des Strom-Spannungs-Verhaltens von PN-Übergängen und Flächentransistoren unter Annahme vereinfachter Bedingungen zum Dotierungsverlauf usw. durch W. B. Shockley.
1950 Erstauflage des grundlegenden Lehrbuches zur Transistorelektronik "Electrons and holes in semiconductors", Autor: W. B. Shockley.
1950 Entwicklung von Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkristallen durch Diffusion, z. B. mit Bor und Phosphor durch R. N. Hall und W. C. Dunlap bei der Firma General Electric.
1950 Entwicklung des Legierungsverfahrens zum Dotieren von Germanium durch W. G. Pfann bei der Firma Western Electric und R. N. Hall und W. C. Dunlap bei General Electric.
1950 Züchtung von Germanium-Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren durch G. K. Teal und J. B. Little bei den Bell Laboratories.
1950 1950/1951 Ziehen von Silizium-Einkristallen durch G. K. Teal und E. Buehler bei den Bell Laboratories.
1950 1950 bis Ende der 1950er Jahre Durchführung verschiedener Entwicklungsprogramme in den USA im Auftrag des Militärs und der NASA (Molekularelektronikkonzept) zur Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen, mit dem Übergang zur Halbleiterblocktechnik wurde diese bis auf wenige Spezialanwendungen nicht weiter verfolgt.
1951 Erstmalige Herstellung von NPN-Flächentransistoren durch Umdotieren und Ziehen aus der Schmelze (grown crystal method): W. B. Shockley, M. Sparks und G. Teal bei den Bell Laboratories.
1951 Beginn der industriemäßigen Herstellung von Ge-Punktkontakttransistoren durch die Firmen Western Electric, Raytheon, RCA, General Electric, Radio Receptor.
1952 Entwicklung des Zonenschmelzverfahrens zur Herstellung hochreinen Siliziums durch W. G. Pfann bei den Bell Laboratories.
1952 Aufstellen eines Modells zur Generation und Rekombination von Ladungsträgern in der verbotenen Zone des Bändermodells eines Halbleiters (Shockley-Read-Modell) durch W. B. Shockley und W. T. Read.
1952 Entwurf des Prinzips des Sperrschichtfeldeffekttransistors durch W. B. Shockley.
1952 Industriemäßige Herstellung von Germanium-Flächentransistoren nach dem Legierungsverfahren durch General Electric und RCA.
1952 Untersuchung neuer halbleitender Verbindungen (AIII-B-V-Verbindungen): H. Welker.
1953 Entwicklung des Prinzips des Drifttransistors (Erzeugung eines inneren elektrischen Feldes durch entsprechende Dotierung der Basiszone) zur Erhöhung der Grenzfrequenz von Transistoren: H. Kroemer.
1954 Industriemäßige Herstellung von Silizium-Flächentransistoren nach dem Legierungsverfahren bei Texas Instruments.
1955 Grundlegende Untersuchungen zum Oxid-Maskenverfahren zur Strukturierung von Silizium-Halbleiterscheiben (Planarprozess) durch L. J. Derick und C. J. Frosch bei Western Electric.
1956 Realisierung des gesteuerten Siliziumgleichrichters (Thyristor) als P-N-P-N-Struktur durch J. L. Moll.
1956 Ausarbeitung des Prinzips des Germanium-Mesa-Transistors durch C. A. Lee und des Silizium-Mesa-Transistors durch M. Tanenbaum und C. A. Lee. Mesa-Strukturen werden durch eine spezielle Ätztechnik realisiert. Im Ergebnis entstehen Transistoren für Anwendungen im Bereich von mehreren hundert MHz, wichtig für den UHF- Bereich des Fernsehens.
1956 Verleihung des Nobelpreises für Physik für die wissenschaftlichen Leistungen zur Erfindung des Transistors an J. Bardeen, W. H. Brattain und W. B. Shockley.
1957 Patentanmeldung des Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode (MISFET) durch J. Wallmark.
1958 Industriemäßige Herstellung von Germanium-Mesatransistoren durch Western Electric.
1958 Ausarbeitung der Technologie des Silizium-Planarprozesses durch V. Grinich und J. Hoerni bei der Firma Fairchild. Der Si-Planarprozess sollte die wichtigste technologische Voraussetzung für die massenhafte Herstellung von Siliziumtransistoren und von integrierten Schaltkreisen auf Si-Basis werden.
1958 Aufbau eines Flip-Flop aus diskreten, nur aus Silizium bestehenden Bauelementen. Entwicklung von Vorstellungen zur Realisierung einer Schaltung (Transistoren, Widerständen und Kondensatoren) aus einem Stück Halbleitermaterial (Germanium) durch J. Kilby (Texas Instruments). 1959 Patentanmeldung unter dem Titel "Miniaturized electronic circuits", erteilt 1964.
1959 industriemäßige Herstellung von Silizium-Planartransistoren.
1959 Integrationskonzept von R. Noyce (Fairchild) unter Nutzung der Silizium-Planartechnologie, Realisierung aller Bauelemente (Transistoren, Widerstände und Kondensatoren) in einem Stück Silizium. Patentanmeldung 1959 unter dem Titel "Semiconducor device-and-lead structure", erteilt 1961.
1959 In den USA Erreichen des gleichen Produktionsvolumens von Transistoren wie von Elektronenröhren. Es werden ca. 180 Millionen Ge-Transistoren und 13 Millionen Si-Transistoren hergestellt.
1961 Von 1961 bis 1966 Entwicklung der wichtigsten Logikschaltungen als Integrierte Schaltkreise (1961 RTL, 1961 TTL, 1961 TCTL, 1963 SUHL, 1963 ECL, 1966 TTL).
1962 Realisierung des MOS-Feldeffekttransistors (MOS steht für die Schichtfolge der Gateelektrodenanordnung (Metal)-Oxid-Semiconductor): T. P. Heiman, S. R. Hofstein.
1962 Herstellung von 300 000 Integrierten Schaltkreisen für das Minuteman-2-Programm (Raketenbau der USA) durch die Firma Texas Instruments.
1963 Industriemäßige Herstellung von MOS-Feldeffekttransistoren und MOS-Schalt-kreisen durch RCA.
1968 Aufnahme der Großproduktion von MOS-Schaltkreisen.
1970 Entwicklung der Silizium-Gate-Technologie durch F. Faggin bei Fairchild, Möglichkeit der effektiven Massenherstellung von MOS-Schaltkreisen und Verringerung der Betriebsspannungen, Vervollkommnung der Technologie durch die Firma Intel.
1971 Herstellung von ca. 635 Millionen Integrierten Schaltkreisen in den USA. Scheibengröße in der Fertigung 1 Zoll.
1971 Entwicklung der EPROM-Speicherzelle durch D. Frohman bei Intel.
1971 Entwicklung des 4-Bit-Mikroprozessors als universellem Rechnerschaltkreis: T. Hoff und F. Faggin bei Intel. Die Firma Intel erhielt vom japanischen Rechenmaschinenhersteller Busicom den Auftrag zur Entwicklung eines kundenspezifischen Schaltkreises für einen Taschenrechner, bei dem alle Bausteine auf einem Chip unterzubringen sind. Das Ergebnis war die Entwicklung eines programmierbaren Mehrzweckchips durch T. Hoff, Ausarbeitung der Technologie durch F. Faggin, der Prozessor i 4004: 4-Bit-Mikroprozessor, ca. 2 300 Transistoren, Strukturbreite 10 (m, aktive Chipfläche ca. 10 mm2.
1974 Intel bringt den ersten 8-Bit-Prozessor 8080 auf den Markt, mit dem der Durchbruch des Mikroprozessors als programmierbare zentrale Recheneinheit eines Minicomputers einsetzt (8-Bit-Mikroprozessor, ca. 6 000 Transistoren, Einsatz im ersten PC "MITS Altair"), 1975 Verkauf von 2 000 Bausätzen.
1978 Entwicklung des 16-Bit-Mikroprozessors durch Intel, 19 000 Transistoren.
1979 Formulierung des Moore_schen|Moore'schen]] "Gesetzes", nach dem sich die Bauelementeanzahl pro Chip (Integrationsgrad) pro Jahr verdoppelt, nachgewiesen durch G. Moore für die Jahre 1960 bis 1978.
1984 Entwicklung des ersten 32-Bit-Prozessors MC 6810 durch Motorola, 190 000 Transistoren pro Chip.
1985 Verleihung des Nobelpreises für Physik an K. v. Klitzing (Forschungen zum quantifizierten Halleffekt).
1986 Beginn der Massenfertigung des 1-Megabit-Speicherchips. Die Entwicklung der Halbleiterspeicherchips (Kennzeichen für die Halbleitertechnologieentwicklung) erfolgte grob skizziert in folgenden Schritten: 1978 16 Kbit, 1980 64 Kbit, 1984 256 Kbit, 1994 16 Megabit, 1998 64 Megabit.
1993 Entwicklung des Pentium-Prozessors durch Intel mit 3,1 Mill. Transistoren pro Chip, Strukturbreite 800 nm, später 350 nm. Beim Einsatz des Prozessors ergaben sich Probleme, da teilweise Divisionen nicht fehlerfrei durchgeführt wurden.
2000 Verleihung des Nobelpreises für Physik an J. Kilby (Integrierter Schaltkreis) und H. Kroemer (Entwicklung schneller Halbleiterstrukturen).
2002 Entwicklung des Pentium-IV-Prozessors durch Intel, ca. 55. Millionen Transistoren. Strukturbreite 130 nm.
2003 Fertigung des 1-Gigabit-Speichers (d. h. mehr als 109 Bauelemente pro Chip), Scheibengröße in der Fertigung 12 Zoll.

[1] Bär, H.-P., Kirpal, A.: 30 Jahre integrierte Schaltkreise - Entstehung und Entwicklung der Mikroelektronik. In: Nachrichtentechnik, 39 (1989), H. 4, S.122 - 124, H. 5, S. 163 - 166, H. 6, S. 206 - 209.

[2] Bosch, B.: Der Werdegang des Transistors. Ilmenau 1994.

[3] Bullinger, H. J. (Hrsg.): Technologieführer. Grundlagen - Anwendungen - Trends. Berlin 2007, S. 60 - 77.

[4] Braun, E.; Mac Donald, S.: Revolution in miniature: The history and impact of semiconductor electronics. Cambridge 1978.

[5] Dean, K. J.; White, G.: The semiconductor story. In: Wireless World, 79 (1973), S. 137 - 140, S. 159 - 173.

[6] Falter, B.: Die technologische Lücke. In: Dresdner Beiträge zur Geschichte der Technikwissenschaften, 25 (1998), S. 15 - 38.

[7] History of semiconductors. In: Electronics, 53 (1983) 9, S. 215 - 270.

[8] Mc Summit, B.; Martin, J.: Die Silicon Valley Story. München 1990, S. 81 - 164.

[9] Kirpal, A.: 40 Jahre Transistor - zur Erfindungsgeschichte dieses Bausteins der Elektronik. In: Nachrichtentechnik, 38 (1988), H. 7, S. 242 - 244.

[10] Kloss, A.: Auf den Spuren der Leistungselektronik. Berlin 1990, S. 89 - 94.

[11] Morris, P. R.: A history of the world semicondutor industry. London 1990, S. 12 - 71.

[12] Queisser, H.: Kistallene Krisen. München 1985.

[13] Riordan, M.; Hoddeson, L.: Crystal Fire: The birth of The information Age. New York 1997.

[14] Tilton, J. E.: International diffusion of technology: The case of semiconductors. Washington 1971.

[15] Webbingk, D. W.: The semiconductor Industry: A survey of Structure, conduct and performance. Washington 1977.

[16] Wolff, M. F.: The genesis of the integratet circuit. In: IEEE spectrum 13 (1976), S. 45 - 53.

[17] Goser, K.; Glösekötter, P.; Dienstuhl, J.: Nanoelectronics and Nanosystems. From Transistor to Molecular and Quantum Devices. Berlin 2004.

Zuletzt geändert am 03.04.2017 09:12  von Runde, Andreas