Vom Germanium zum Silicium

14.09.2026

In den 1950er Jahren hätte kaum ein Ingenieur auf Silicium gewettet. Germanium ließ sich leichter reinigen, leichter dotieren, leichter zu Kristallen ziehen, und die daraus gefertigten Transistoren schalteten spürbar schneller. Dass sich binnen weniger Jahre trotzdem Silicium durchsetzte und Germanium fast vollständig aus der Massenfertigung verdrängte, lag an keiner einzelnen Schwäche, sondern an einer Kombination physikalischer Eigenschaften, die erst mit wachsenden Ansprüchen an Zuverlässigkeit und Fertigungstechnik zum entscheidenden Nachteil wurden.

Warum Germanium zuerst kam

Der erste Transistor 1947 entstand aus Germanium, und das war keine willkürliche Wahl. Germanium schmilzt bereits bei 938 Grad Celsius, deutlich niedriger als Silicium mit 1414 Grad – ein Unterschied, der die Kristallzucht und jeden nachfolgenden Hochtemperaturschritt spürbar einfacher und billiger machte. William Pfann entwickelte 1952 bei den Bell Labs das Zonenschmelzverfahren zur Reinigung von Halbleiterkristallen zunächst für Germanium, weil sich dessen niedrigerer Schmelzpunkt für diesen Prozess einfach leichter beherrschen ließ. Hinzu kam eine rein elektrische Eigenschaft: Germanium bietet eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit als Silicium, was bei gleicher Bauelementgeometrie schnellere Transistoren ergab. In den 1950er Jahren war Germanium damit in praktisch jeder Hinsicht der pragmatischere, schnellere und billiger zu beherrschende Werkstoff – die ersten Transistorradios, Hörgeräte und frühen Rechenmaschinen liefen fast ausnahmslos mit Germanium-Transistoren.

Die Schwachstellen, die erst später zählten

Zwei physikalische Eigenschaften von Germanium erwiesen sich jedoch als folgenreich, sobald die Ansprüche an Betriebstemperatur und Fertigungspräzision stiegen. Erstens: Germaniums Bandlücke beträgt nur 0,66 Elektronenvolt gegenüber 1,12 Elektronenvolt bei Silicium. Da die Zahl der thermisch erzeugten, unerwünschten Ladungsträger exponentiell mit sinkender Bandlücke und steigender Temperatur wächst, wurden Germanium-Bauelemente schon oberhalb von etwa 75 bis 100 Grad Celsius unbrauchbar leckstromdurchflossen – ein ernstes Problem für alles, was im Automobil, in der Industrie oder im Militärbereich zuverlässig auch bei höheren Umgebungstemperaturen arbeiten musste. Silicium blieb dank seiner deutlich größeren Bandlücke auch bei Temperaturen weit über 150 Grad Celsius noch funktionstüchtig.

Zweitens, und langfristig entscheidender: Germanium bildet kein brauchbares natives Oxid. Germaniumoxid ist wasserlöslich und elektrisch instabil und taugt nicht als Isolator. Solange Transistoren einzeln aus Legierungs- oder Punktkontaktverfahren gefertigt wurden, spielte das kaum eine Rolle. Sobald Jean Hoerni 1959 mit der Planartechnik ein Verfahren vorstellte, das auf einer stabilen, während der gesamten Prozessierung auf dem Wafer verbleibenden Oxidschicht als Diffusionsmaske und Oberflächenschutz beruhte, wurde dieses fehlende native Oxid zum Ausschlusskriterium. Silicium bildet bei einfacher thermischer Oxidation von selbst genau ein solches stabiles, isolierendes Siliciumdioxid – die Grundlage nicht nur der Planartechnik, sondern wenig später auch der gesamten MOS-Transistorfamilie. Ohne dieses eine Detail hätte Germanium den entscheidenden technologischen Sprung der Halbleiterindustrie schlicht nicht mitgehen können.

Der schrittweise, nicht abrupte Wechsel

Der Übergang vollzog sich trotzdem nicht schlagartig. Bis weit in die frühen 1960er Jahre blieb Germanium in preissensitiven Konsumanwendungen wie Transistorradios konkurrenzfähig – auch weil seine niedrigere Durchlassspannung von etwa 0,3 Volt gegenüber rund 0,7 Volt bei Silicium für einfache Audioschaltungen tatsächlich von Vorteil war, und weil die germaniumbasierte Fertigung zu diesem Zeitpunkt bereits über Jahre optimiert und entsprechend billig war. Silicium übernahm zunächst gezielt jene Bereiche, in denen Planartechnik, hohe Betriebstemperatur oder später digitale integrierte Schaltungen gefragt waren. Erst als Fairchild, Texas Instruments und andere in den 1960er Jahren massiv in siliciumbasierte Planarprozesse investierten, sanken Siliciums Fertigungskosten durch schiere Massenproduktion so weit, dass auch Germaniums letzter verbliebener Kostenvorteil in der Konsumelektronik verschwand. Um die Mitte der 1960er Jahre war der Wechsel im Wesentlichen abgeschlossen.

Germanium heute: zurück in Nischen – und im Labor

Verschwunden ist Germanium trotzdem nicht. Als Silicium-Germanium-Legierung bildet es die Basis besonders schneller Heterojunction-Bipolartransistoren, wie sie in Hochfrequenzchips für Mobilfunk und andere drahtlose Kommunikation zum Einsatz kommen – hier zahlt sich Germaniums höhere Ladungsträgerbeweglichkeit bis heute aus, jetzt aber kombiniert mit siliciumkompatibler Fertigungstechnik statt als eigenständiges Material. Auch als Dehnungselement im verspannten Silicium moderner Transistorkanäle, das die Ladungsträgerbeweglichkeit ganz ohne weitere Schrumpfung erhöht, kommt Germanium seit den 2000er Jahren wieder zum Einsatz. In der Forschung wird reines Germanium inzwischen sogar erneut als möglicher Kanalwerkstoff diskutiert: Seine besonders hohe Löcherbeweglichkeit macht es zu einem interessanten Kandidaten für den p-Kanal künftiger Hochleistungstransistoren, kombiniert mit III-V-Verbindungshalbleitern für den n-Kanal – mehr als sechzig Jahre, nachdem es aus der Massenfertigung verdrängt wurde, taucht Germanium damit wieder als Lösung für ein aktuelles Problem auf, nicht mehr als Ausgangspunkt, sondern als Ergänzung zu Silicium.