Die Geschichte des Bipolartransistors

13.10.2026

1947 bewiesen Forscher der Bell Laboratories, dass sich Signale mit einem Germaniumkristall verstärken lassen. Erst Shockleys Konzept eines Transistors mit zwei pn-Übergängen und neue Verfahren zur Kristallzucht, Dotierung und Oberflächenpassivierung machten daraus ein zuverlässiges Massenprodukt. Vom Germanium-Sperrschichttransistor über TTL und Operationsverstärker bis zu SiGe-Hochfrequenzbauelementen.

Bild: ChatGPT

Im April 1950 gab ein Forscher der Bell Laboratories während des Wachstums eines Germaniumkristalls winzige Mengen von Fremdstoffen in die Schmelze. Der Ingenieur Morgan Sparks versuchte, dadurch im Kristall drei aufeinanderfolgende Halbleitergebiete entstehen zu lassen: zunächst n-leitend, dann p-leitend, schließlich wieder n-leitend. Die Idee stammte aus einer theoretischen Überlegung von William Shockley. Wenn die mittlere Schicht dünn genug wäre, müsste sich ein großer Strom zwischen den äußeren Gebieten durch ein kleines Eingangssignal steuern lassen – ganz ohne die empfindlichen Metallspitzen des ersten Transistors.

Die frühen Versuche waren schwierig. Selbst kleine Abweichungen bei Dotierung, Kristallqualität oder Schichtdicke konnten das Bauelement unbrauchbar machen. Doch 1951 wurden die ersten gewachsenen Sperrschichttransistoren leistungsfähig genug, um die bisherigen Punktkontakttransistoren zu übertreffen. Daraus begann eine Entwicklung, die weit über kleine Radioverstärker hinausführte: Der Bipolartransistor wurde zum Baustein von Computern, Telefonanlagen, Messgeräten, analogen Schaltungen und frühen integrierten Schaltkreisen.

Heute verbinden viele Menschen den Begriff Transistor vor allem mit dem MOSFET, von dem Milliarden auf einem modernen Prozessor integriert sein können. Der Bipolartransistor hat dennoch eine eigene, bis heute fortgesetzte Geschichte. Wie entstand seine dreischichtige Struktur, welche Fertigungsprobleme mussten überwunden werden, und warum findet er selbst in der CMOS-dominierten Gegenwart noch Anwendungen?

Vor dem Bipolartransistor: Die Suche nach dem Festkörperverstärker

Bis in die 1940er-Jahre wurden elektrische Signale vor allem mit Elektronenröhren verstärkt. Röhren machten Rundfunk, Telefonie und elektronische Rechner möglich, hatten aber erhebliche Nachteile: Sie beanspruchten viel Platz, benötigten Heizleistung und waren empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung. Ein zuverlässiger Verstärker aus einem festen Halbleitermaterial hätte solche Geräte kleiner, energiesparender und wartungsärmer gemacht.

Halbleiter waren keineswegs unbekannt. Kristallgleichrichter wurden bereits im frühen 20. Jahrhundert eingesetzt, und während des Zweiten Weltkriegs verstärkte die Radarforschung die Entwicklung von Silicium- und Germaniumdioden. Doch ein Gleichrichter mit nur einem pn-Übergang kann nicht einfach die Funktion eines Verstärkers übernehmen. Dazu muss ein Eingangssignal den Stromfluss eines zweiten Stromkreises beeinflussen, während dessen zusätzliche Leistung aus einer Versorgung stammt.

In mehreren Ländern wurden dafür unterschiedliche Ansätze verfolgt. Bei Bell Labs organisierte William Shockley eine Arbeitsgruppe, die unter anderem Feldeffekte in Halbleitern untersuchte. Die zunächst erhoffte direkte Steuerung des Stroms durch ein äußeres elektrisches Feld gelang nicht in der erwarteten Weise. Oberflächenzustände, unbekannte Materialeigenschaften und unzureichende Kristallreinheit standen im Weg. Statt eines unmittelbar erfolgreichen Feldeffektbauelements entwickelte sich die Forschung daher zunächst in eine andere Richtung.

1947: Der Punktkontakttransistor als erster Durchbruch

Am 16. Dezember 1947 beobachteten John Bardeen und Walter Brattain in den Bell Laboratories eine deutliche Signalverstärkung mit zwei eng benachbarten Goldkontakten auf Germanium. Am 23. Dezember wurde das funktionierende Bauelement vorgeführt; die öffentliche Bekanntgabe folgte im Juni 1948. Es war der erste erfolgreich demonstrierte Transistor und ein Meilenstein der Elektronikgeschichte.

Seine Konstruktion war allerdings mechanisch heikel. Die beiden Kontakte mussten mit sehr geringem Abstand und bestimmtem Anpressdruck auf einer geeigneten Kristallstelle sitzen. Verschob sich eine Spitze oder veränderte sich die Kristalloberfläche, konnten Verstärkung, Rauschen und Zuverlässigkeit stark schwanken. Das Bauelement ließ sich weiterentwickeln und auch fertigen, doch die Bauweise war wenig geeignet, später Millionen nahezu identischer Transistoren auf einem Wafer entstehen zu lassen.

Unabhängig von den öffentlich noch unbekannten Arbeiten bei Bell Labs erreichten Herbert Mataré und Heinrich Welker 1948 in Frankreich eine verwandte Punktkontaktverstärkung. Ihr Transistron wurde sogar für Telekommunikationsanwendungen gefertigt. Diese Parallelerfindung ist ein wichtiger Teil der europäischen Geschichte des Transistors. Die Entwicklung eines reproduzierbaren Transistors mit zwei flächigen pn-Übergängen folgte jedoch einer anderen technischen Linie.

Januar 1948: Shockley entwirft den Sperrschichttransistor

William Shockley erkannte, dass die mechanischen Punktkontakte durch im Kristall selbst gebildete Halbleiterübergänge ersetzt werden könnten. Am 23. Januar 1948 hielt er das Konzept eines Transistors mit drei unterschiedlich dotierten Gebieten fest. Zwei pn-Übergänge sollten einen gemeinsamen dünnen Bereich begrenzen: die Basis. Ein Emitter würde Ladungsträger einspritzen, der Kollektor sollte den größten Teil dieser Ladungsträger aufnehmen.

Das Modell setzte eine wichtige physikalische Einsicht voraus: Ladungsträger konnten im Inneren des Halbleiters auch dann durch ein Gebiet gelangen, wenn sie dort nicht die Mehrheitsladungsträger waren. John Shive bestätigte im Februar 1948 durch ein Experiment mit Kontakten auf gegenüberliegenden Seiten einer Germaniumprobe die entscheidende Rolle des Ladungstransports durch das Material. Shockley meldete im Juni 1948 seine Sperrschichttransistor-Idee zum Patent an und veröffentlichte 1949 eine umfassende theoretische Beschreibung von pn-Übergängen und Transistorwirkung.

Die Konstruktion war vorerst ein theoretischer Entwurf. Die notwendigen Halbleitergebiete waren so dünn, dass die damalige Fertigung ihre Dicke und Dotierung kaum beherrschte. Insbesondere musste die Basis Ladungsträger transportieren lassen, ohne dass unterwegs der größte Teil durch Rekombination verloren ging. Das Verständnis war damit weiter als die Herstellungstechnik. Erst neue Methoden der Kristallzucht sollten beide zusammenführen.

Was „bipolar“ bedeutet: Elektronen und Löcher

Ein Bipolartransistor – englisch Bipolar Junction Transistor, kurz BJT – besteht in seiner klassischen Form aus zwei pn-Übergängen. Bei einem npn-Transistor liegt eine dünne p-dotierte Basis zwischen n-dotiertem Emitter und Kollektor; beim pnp-Transistor sind die Dotierungsarten vertauscht. Die Namen Emitter, Basis und Kollektor beschreiben ihre elektrischen Aufgaben, nicht lediglich eine räumliche Anordnung.

Im üblichen Verstärkerbetrieb eines npn-Transistors ist der Übergang zwischen Emitter und Basis in Durchlassrichtung betrieben, der Übergang zwischen Basis und Kollektor dagegen in Sperrrichtung. Der stark dotierte Emitter injiziert Elektronen in die vergleichsweise dünne Basis. Dort sind Elektronen Minderheitsladungsträger. Wenn die Basis ausreichend schmal und geeignet dotiert ist, rekombiniert nur ein kleiner Teil von ihnen; die übrigen gelangen in die Raumladungszone des Kollektor-Basis-Übergangs und werden vom elektrischen Feld zum Kollektor transportiert.

Der kleine Basisstrom deckt unter anderem die Rekombination und die Gegeninjektion von Ladungsträgern ab. Der Kollektorstrom kann deshalb um ein Vielfaches größer sein als der Basisstrom. Der Quotient aus Kollektor- und Basisstrom wird bei der Betrachtung des Gleichstromverhaltens häufig als Stromverstärkungsfaktor β bezeichnet. Für präzise Analogschaltungen ist aber ebenso wichtig, dass der Kollektorstrom in erster Näherung exponentiell von der Basis-Emitter-Spannung abhängt.

Das Wort bipolar verweist darauf, dass für den Betrieb sowohl Elektronen als auch Löcher in den pn-Übergängen und der Ladungsträgerbilanz eine Rolle spielen. Der Name bedeutet nicht, dass jeder einzelne Strompfad gleichermaßen von beiden Trägerarten geführt wird. Im Gegensatz dazu arbeitet der MOSFET in seinem Kanal im Wesentlichen mit einer Trägerart und steuert dessen Leitfähigkeit über ein isoliertes Gate.

1950–1951: Ein Transistor entsteht beim Kristallwachstum

Gordon Teal setzte bei Bell Labs auf große, möglichst fehlerarme Germanium-Einkristalle. Dafür nutzte er eine Kristallzuchttechnik, deren Grundlagen Jan Czochralski bereits 1917 entwickelt hatte. Ein kleiner Impfkristall wurde aus einer Schmelze gezogen und bildete unter kontrollierten Bedingungen einen wachsenden Einkristall. Für Halbleiter musste dieser Prozess besonders rein und gleichmäßig erfolgen.

Morgan Sparks stellte während des Wachstums die Dotierung um, indem er geeignete Fremdstoffe zur Schmelze gab. So entstanden drei aufeinanderfolgende Bereiche mit zwei pn-Übergängen. Im April 1950 wurden gezielt solche npn-Strukturen hergestellt. Aus dem Kristall konnte man danach kleine Transistoren ausschneiden und mit Kontakten versehen. Die Basis war allerdings nur in einem begrenzten Bereich dünn genug; die Positionierung der Bauelemente blieb schwierig.

Die ersten Muster waren nicht sofort überlegen. Über das Jahr 1950 und die folgenden Monate verbesserten die Forscher Kristallqualität, Basisbreite und Kontaktierung. 1951 erreichten die grown-junction transistors eine Leistung, die den besten Punktkontakttransistoren in wichtigen Eigenschaften überlegen war. Der große Fortschritt war nicht allein eine höhere Verstärkung, sondern vor allem die Aussicht auf stabilere, besser reproduzierbare Bauelemente.

Mit dem gewachsenen Sperrschichttransistor hatte sich Shockleys Idee in ein reales Produkt verwandelt. Doch das Verfahren, gezielt während des Ziehens eines Kristalls zwei dünne Übergänge zu erzeugen, war noch aufwendig. Für einen weltweiten Massenmarkt mussten andere Technologien folgen.

Die 1950er-Jahre: Germaniumtransistoren verlassen das Labor

In den frühen 1950er-Jahren entstanden unterschiedliche Methoden zur Herstellung von Sperrschichttransistoren. Beim Legierungstransistor wurden geeignete Metalle oder Dotierstofflegierungen an einen Germaniumkörper gebracht und lokal aufgeschmolzen. Beim Erstarren entstanden dotierte Gebiete und pn-Übergänge. Solche Verfahren waren für die damalige Technik gut geeignet und konnten in größeren Serien eingesetzt werden.

Damit wurden Transistoren zunehmend zu Handelsprodukten. Hörgeräte waren ein früher besonders attraktiver Einsatzort: Jede eingesparte Röhre verringerte Volumen und Batterieverbrauch. Bald folgten tragbare Radios. 1954 kam das Regency TR-1 mit vier Germanium-Sperrschichttransistoren auf den amerikanischen Markt. Ähnliche Geräte verschiedener Hersteller machten den Ausdruck „Transistorradio“ in der Öffentlichkeit bekannt.

Die Vorteile gingen über die Baugröße hinaus. Ein Transistor musste nicht auf das Aufheizen einer Kathode warten, war relativ stoßfest und ermöglichte vollständig neue Geräteformen. Zugleich blieben Germaniumtransistoren temperaturempfindlich: Ihr Sperrstrom nahm bei Erwärmung stark zu. Schaltungen brauchten deshalb geeignete Arbeitspunkte und Gegenkopplung. In der Leistungselektronik und bei höheren Umgebungstemperaturen wurde diese Materialgrenze besonders sichtbar.

1954: Silicium verändert die Perspektive

Silicium war aufgrund seiner größeren Bandlücke und besseren Hochtemperatureigenschaften ein attraktiver Kandidat. Allerdings ließ es sich deutlich schwieriger zu ausreichend reinen und fehlerarmen Einkristallen verarbeiten. Im Januar 1954 fertigte Morris Tanenbaum bei Bell Labs einen frühen funktionsfähigen Siliciumtransistor. Unabhängig davon gelang Gordon Teal und dem Team um Willis Adcock bei Texas Instruments im April 1954 ein Silicium-npn-Transistor; die Firma stellte ihre Entwicklung im Mai öffentlich vor und begann mit der kommerziellen Vermarktung.

Silicium bot gegenüber Germanium deutlich geringere thermisch bedingte Leckströme und ermöglichte größere zulässige Betriebstemperaturen. Das machte es für robuste Verstärker, Schalter und später integrierte Schaltungen besonders interessant. Der Übergang war aber nicht sofort abgeschlossen: Germanium blieb über Jahre in Radios, Messtechnik und bestimmten Hochfrequenzanwendungen verbreitet.

Der eigentliche industrielle Wert von Silicium zeigte sich zunehmend an seiner Oberfläche. Bei geeigneter Prozessführung konnte dort eine stabile Siliciumdioxidschicht entstehen. Dieses Oxid ließ sich als Maske bei der Dotierung und schließlich als dauerhafte Passivierung nutzen. Ausgerechnet eine chemische Eigenschaft des Materials sollte damit die Fertigung stärker revolutionieren als die ursprüngliche Kristallzucht allein.

Von der Kristallzucht zur Diffusion: Eine dünne Basis wird reproduzierbar

Bei einem Bipolartransistor bestimmen Basisbreite, Dotierung und Übergangsgeometrie wesentlich die Stromverstärkung, das Rauschen und die Grenzfrequenz. Je dünner die Basis, desto schneller können Ladungsträger sie durchqueren – solange die übrigen Eigenschaften des Bauelements ebenfalls passen. Die gewachsenen Übergänge waren jedoch nur begrenzt präzise einstellbar. Deshalb untersuchten Forscher, wie sich Dotieratome nach dem Kristallwachstum gezielt in die Oberfläche einbringen ließen.

Calvin Fuller arbeitete bei Bell Labs an Hochtemperatur-Diffusionsverfahren, zunächst auch für Solarzellen. 1954 demonstrierte Charles Lee damit Germaniumtransistoren mit nur ungefähr mikrometerdünnen Basen und hoher Frequenzleistung. Im März 1955 gelang Morris Tanenbaum und D. E. Thomas die Herstellung diffundierter Siliciumtransistoren mit zwei pn-Übergängen. Die Grenzen des Bauelements mussten damit nicht mehr beim Kristallziehen vollständig festgelegt werden.

Der Vorteil ging weit über die schmale Basis hinaus. Durch Temperatur, Zeit und die Konzentration der Dotierstoffe konnten Hersteller Dotierprofile über Wafer hinweg systematischer steuern. Mit geeigneten Oxidmasken ließ sich die Diffusion schließlich auf bestimmte Bereiche begrenzen. Zusammen mit Fotolithografie bildete das den Übergang von der Fertigung einzelner Kristallbauelemente zur wiederholbaren Waferproduktion.

1958: Der Mesa-Transistor bringt Leistung und neue Probleme

1957 gründeten acht ehemalige Mitarbeiter von William Shockleys Halbleiterlabor Fairchild Semiconductor. Ihre ersten großen kommerziellen Erfolge erzielten sie nicht mit integrierten Schaltkreisen, sondern mit schnellen und belastbaren Silicium-Bipolartransistoren. 1958 entwickelte eine Gruppe um Gordon Moore einen doppelt diffundierten npn-Transistor für anspruchsvolle Elektroniksysteme. Das Produkt 2N697 wurde ein wichtiger früher Erfolg des jungen Unternehmens.

Der Mesa-Transistor erhielt seinen Namen von der erhöhten, durch Ätzen freigelegten Struktur. Die pn-Übergänge lagen teilweise an der seitlichen Oberfläche der kleinen Erhebung. Dadurch ließen sich schnelle Bauelemente fertigen, doch die empfindlichen Randbereiche waren gegenüber Verunreinigungen und Feuchtigkeit anfällig. Schon winzige Partikel, etwa aus dem Inneren eines Metallgehäuses, konnten elektrische Eigenschaften verändern oder Kurzschlüsse auslösen.

Die damaligen militärischen und raumfahrttechnischen Kunden verlangten hohe Zuverlässigkeit. Der Fertigungsprozess musste deshalb nicht nur die gewünschte Kennlinie erreichen, sondern auch das Bauelement über Jahre vor seiner Umgebung schützen. Das machte das Problem der Oberflächenpassivierung zu einer wirtschaftlich entscheidenden Herausforderung.

1959: Hoernis Planarverfahren löst das Oberflächenproblem

Jean Hoerni, ebenfalls bei Fairchild, schlug vor, die Siliciumdioxidschicht nach dem Dotieren auf dem Wafer zu belassen. Statt empfindliche pn-Übergänge an freigelegten Mesa-Seiten enden zu lassen, sollten sie unter der Oxidschicht bis zur Oberfläche geführt und dort passiviert werden. Im März 1959 demonstrierte Hoerni einen funktionierenden planaren Bipolartransistor.

Das war ein technologischer Wendepunkt. Die isolierende Oxidschicht schützte die Übergänge und ermöglichte geringere Leckströme sowie eine zuverlässigere Serienfertigung. Kontaktöffnungen konnten gezielt in die Oxidschicht geätzt werden. Die eigentlichen elektrischen Anschlüsse ließen sich so auf einer Seite des Wafers herstellen. Im April 1960 brachte Fairchild mit dem 2N1613 einen kommerziellen planaren Transistor auf den Markt.

Die Folgen reichten weit über ein einzelnes Bauelement hinaus. Robert Noyce erkannte, dass auf der Oxidschicht Metallbahnen zwischen mehreren Transistoren und weiteren Schaltungselementen verlaufen konnten. Damit lieferte der Planarprozess auch eine entscheidende Grundlage der monolithischen integrierten Schaltung. Die Geschichte des Bipolartransistors und die Entstehung des integrierten Schaltkreises sind an dieser Stelle untrennbar verbunden.

Die 1960er-Jahre: Epitaxie und der vertikale Transistor

Mit der Planartechnik wurden viele Bipolartransistoren gleichzeitig auf einem Wafer gefertigt. Um ihre Eigenschaften weiter zu verbessern, entwickelten Hersteller zudem die kontrollierte epitaktische Abscheidung von Silicium. Dabei wächst auf einem einkristallinen Substrat eine weitere kristalline Schicht mit einstellbarer Dotierung und Dicke. So konnten insbesondere Kollektorbereiche gezielter gestaltet werden.

Bei einem typischen vertikalen integrierten npn-Transistor befinden sich Emitter und Basis nahe der Oberfläche, während der Kollektorstrom durch tieferliegende Bereiche fließt. Stark dotierte vergrabene Schichten und isolierende pn-Übergänge halfen, Widerstände zu verringern und benachbarte Bauelemente voneinander zu trennen. Spätere Prozesse ergänzten beispielsweise Polysiliciumkontakte, selbstjustierende Strukturen und verbesserte Oxidpassivierung.

Dadurch veränderte sich der Bipolartransistor erneut: Aus dem individuellen Bauteil mit drei Drähten wurde ein reproduzierbares Element einer integrierten Schaltung. Zahlreiche Transistoren konnten nun zusammen mit Widerständen und Dioden in einem Fertigungsgang entstehen. Die Bauelemente wurden schneller, kleiner und besser aufeinander abgestimmt – und genau diese Übereinstimmung erwies sich für analoge Präzisionsschaltungen als großer Vorteil.

TTL und ECL: Bipolartransistoren rechnen digital

Bevor CMOS die Digitaltechnik dominierte, wurden zahlreiche Computer, Steuerungen und Kommunikationssysteme mit bipolaren Logikfamilien aufgebaut. Eine wichtige Rolle spielte Transistor-Transistor-Logik (TTL). James Buie beschrieb das Konzept 1961; 1963 entwickelte das Sylvania-Team um Thomas Longo die frühe SUHL-Logikfamilie. Texas Instruments führte 1964 die SN5400-Reihe und 1966 die preisgünstigere SN7400-Familie ein.

Die 7400-Bausteine enthielten standardisierte Funktionen wie NAND-Gatter, Zähler, Register und Flipflops. Für Entwickler bedeutete das, dass sich komplexere Schaltungen aus katalogisierten, miteinander kompatiblen integrierten Bauteilen zusammensetzen ließen. Viele dieser Schaltungen nutzten mehrfache Emitter und andere speziell für die Logik optimierte Bipolarstrukturen. Ihre Arbeitsgeschwindigkeit war für damalige Verhältnisse hoch, allerdings flossen auch im stationären Zustand vielfach beträchtliche Ströme.

Für besonders schnelle Systeme entstand die Emitter-Coupled Logic (ECL). Dabei werden Bipolartransistoren so betrieben, dass sie möglichst nicht in tiefe Sättigung geraten. Das vermeidet lange Speicherzeiten von überschüssiger Ladung und erlaubt hohe Schaltfrequenzen – erkauft allerdings mit höherer Leistungsaufnahme. Solche Konzepte fanden unter anderem in schnellen Rechnern und Nachrichtensystemen Verwendung.

1969 wurde mit Schottky-begrenzten Bipolartransistoren eine weitere technische Verbesserung sichtbar. Eine Schottky-Diode konnte verhindern, dass ein Transistor tief sättigt, und damit die Schaltgeschwindigkeit steigern. Die Schottky-TTL-Familien der 1970er-Jahre verlängerten so die Lebensdauer der klassischen bipolaren Digitaltechnik.

1964–1968: Der Bipolartransistor wird zum Analog-Chip

Mindestens ebenso bedeutend war der Erfolg in der analogen Elektronik. Hier genügt es nicht, zwischen zwei Zuständen zu schalten: Ein Verstärker muss kleine Veränderungen von Spannung und Strom möglichst rauscharm, linear und reproduzierbar verarbeiten. Gerade dafür sind die Kennlinien von Bipolartransistoren hilfreich. Ihre Stromverstärkung, hohe Steilheit bei gegebenem Strom und gut nutzbare Paarungseigenschaften ermöglichen leistungsfähige Differenzverstärker und Stromspiegel.

Robert Widlar entwickelte gemeinsam mit dem Prozesstechniker David Talbert bei Fairchild frühe integrierte Operationsverstärker. Der µA702 von 1964 war einer der ersten breit eingesetzten kommerziellen Analog-ICs, der µA709 von 1965 erschloss einen größeren Markt. 1968 entstand bei Fairchild unter David Fullagar der µA741, dessen interne Frequenzkompensation die Verwendung erheblich vereinfachte. Solche Schaltungen bestanden aus zahlreichen aufeinander abgestimmten Bipolartransistoren, ergänzt um Widerstände und Kondensatoren.

Diese Analog-ICs machten Präzisionsverstärkung, Messwertaufbereitung und Regelschaltungen günstiger und zuverlässiger. Der Bipolartransistor übernahm dabei weit mehr als die ursprüngliche Verstärkerfunktion: Er diente als Stromquelle, Pegelumsetzer, Differenzstufe, Treiber und temperaturabhängiges Referenzelement. Selbst als die Digitalwelt immer kleinere MOS-Transistoren integrierte, entwickelten Analoghersteller ihre Bipolarverfahren weiter.

Warum präzise Strom- und Spannungsreferenzen bipolar wurden

Eine Besonderheit des Bipolartransistors liegt in der relativ gut beschreibbaren Beziehung zwischen Kollektorstrom und Basis-Emitter-Spannung. Bei vergleichbaren Transistoren und geeigneten Strömen lassen sich Unterschiede dieser Spannungen gezielt nutzen. Wird etwa die Stromdichte zweier Transistoren variiert, entsteht eine Spannungsdifferenz, die näherungsweise proportional zur absoluten Temperatur ist.

Auf dieser Grundlage wurden temperaturkompensierte Referenzschaltungen entwickelt. Bei einer sogenannten Bandgap-Referenz wird eine Spannung mit negativem Temperaturkoeffizienten, wie die Basis-Emitter-Spannung eines Siliciumtransistors, mit einem passend skalierten Anteil einer temperaturproportionalen Spannung kombiniert. Das Ergebnis ist eine relativ stabile Referenzspannung, die für Analog-Digital-Wandler, Spannungsregler und Messschaltungen von hoher Bedeutung ist.

Forschungs- und Entwicklungsarbeiten unter anderem von Robert Widlar und A. Paul Brokaw etablierten solche Schaltungskonzepte. Der technische Nutzen ist bemerkenswert: Selbst in modernen CMOS-Prozessen lassen sich bipolare, zum Teil parasitäre Transistorstrukturen für temperaturabhängige Referenzen und andere analoge Funktionen nutzen. Die physikalische Charakteristik des Bipolartransistors blieb wertvoll, auch wenn er nicht mehr das dominierende digitale Schaltelement war.

Vom Leistungstransistor zum industriellen Schalter

In Netzgeräten, Audioendstufen, Motorsteuerungen und Industrieanlagen mussten Transistoren nicht nur kleine Signale verstärken, sondern größere Ströme und Leistungen steuern. Dafür entstanden Bipolartransistoren mit großen aktiven Flächen, optimierten Kollektorgebieten und Gehäusen zur Wärmeabfuhr. Leistungs-BJTs gehörten über Jahrzehnte zu wichtigen Bauelementen der Elektronik.

Die hohe Stromverstärkung machte sie zwar gut steuerbar, doch ein ausreichender Basisstrom blieb erforderlich. Beim Schalten hoher Ströme kann dieser Steuerbedarf erheblich werden. In tiefer Sättigung speichern Bipolartransistoren zudem überschüssige Ladung, die beim Abschalten erst entfernt werden muss. Das erschwert schnelles, verlustarmes Schalten. Außerdem können ungleichmäßige Stromverteilung und thermische Instabilitäten besondere Schutzmaßnahmen notwendig machen.

Leistungs-MOSFETs und später IGBTs verdrängten diskrete Leistungs-BJTs deshalb in vielen Schaltanwendungen. Die Geschichte ist jedoch keine einfache Ablösung durch einen „besseren Transistor“: Der IGBT kombiniert eine MOS-gesteuerte Struktur mit bipolarer Ladungsträgerinjektion und nutzt gerade dadurch bei hohen Spannungen einen Teil der Vorteile der Bipolartechnik. Das grundlegende Verständnis von Minderheitsladungsträgern blieb damit auch für neue Leistungsbauelemente bedeutsam.

Die 1970er- und 1980er-Jahre: CMOS verschiebt die Kräfte

In digitalen Schaltungen setzte sich langfristig der MOSFET durch. Anders als ein bipolarer Transistor braucht ein MOSFET im stationären Betrieb keinen vergleichbaren Gate-Steuerstrom. Komplementäre MOS-Schaltungen verbinden p- und n-Kanal-Transistoren so, dass im idealen statischen Zustand nur geringe Ströme fließen. Vor allem bei steigender Transistorzahl war das ein enormer Vorteil.

Anfangs waren MOS-Schaltungen langsamer und teilweise weniger zuverlässig als bipolare Lösungen. Doch Verbesserungen an Oxidqualität, Lithografie, Prozessreinheit und Transistorstrukturen verschoben die Grenze. Mit jeder neuen Generation ließen sich mehr MOS-Transistoren auf einem Chip integrieren. Mikroprozessoren, Speicher und schließlich hochkomplexe digitale Systeme wurden deshalb überwiegend mit CMOS gefertigt.

In analogen und sehr schnellen Hochfrequenzschaltungen blieb das Bild differenzierter. Bipolartransistoren konnten bei vergleichbarem Strom eine hohe Steilheit liefern und eigneten sich für rauscharme Verstärkung sowie präzise Kennlinien. MOSFETs boten dagegen hohe Eingangswiderstände und eine gute Integrationsfähigkeit. Aus dieser Ergänzung entstand die Idee, beide Transistortypen auf demselben Chip zu vereinen.

BiCMOS: Zwei Transistortypen auf einem Chip

BiCMOS kombiniert bipolare und CMOS-Transistoren innerhalb eines integrierten Fertigungsprozesses. Digitale Logik, Speicher und Steuerfunktionen können mit sparsamen CMOS-Strukturen realisiert werden, während bipolare Transistoren beispielsweise schnelle Verstärker, analoge Treiber und präzise Signalverarbeitung übernehmen. Der Preis dafür ist ein komplexerer Herstellungsprozess mit zusätzlichen Masken-, Dotier- und Kontaktschritten.

Solche Technologien wurden besonders dort attraktiv, wo weder reines CMOS noch ausschließlich bipolare Schaltungen die Anforderungen an Leistung, Geschwindigkeit, Rauschen und Energiebedarf optimal erfüllten. Dazu gehörten Datenübertragung, Hochfrequenz-Frontend-Schaltungen, Wandler und verschiedene gemischt analoge und digitale Systeme.

Mit BiCMOS wurde der Bipolartransistor deshalb nicht als Konkurrent des MOSFETs verstanden, sondern als Spezialist innerhalb eines gemeinsamen Chips. Diese Sichtweise prägte auch den nächsten Entwicklungsschritt: die gezielte Veränderung der Bandstruktur an der Grenze zweier Halbleitermaterialien.

1957 bis 1990: Vom klassischen BJT zum Heterojunction-Transistor

Bereits 1957 beschrieb der Physiker Herbert Kroemer die Vorteile eines Bipolartransistors mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien an der Grenzfläche. Bei einem Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) kann sich die Bandlücke zwischen Emitter und Basis gezielt unterscheiden. Dadurch werden Ladungsträgerinjektion, Stromverstärkung und Hochfrequenzverhalten besser voneinander einstellbar. Kroemer erhielt für seine Beiträge zu Halbleiter-Heterostrukturen im Jahr 2000 einen Anteil des Nobelpreises für Physik.

Die praktische Umsetzung verlangte jedoch kontrolliert gewachsene dünne Kristallschichten. Fortschritte bei Molekularstrahlepitaxie und chemischer Gasphasenabscheidung ermöglichten später HBTs mit Verbindungshalbleitern sowie Silicium-Germanium-Basen. Bei letzterer Technologie wird in die Basis eines Siliciumtransistors ein genau kontrollierter Germaniumanteil eingebracht. Die veränderte Bandstruktur erlaubt eine höhere Geschwindigkeit, ohne dass die Basis einfach immer weiter verkleinert werden muss.

IBM-Forscher berichteten 1988 über frühe SiGe-Basis-HBTs. 1990 demonstrierten sie Bauelemente mit einer Transitfrequenz von 75 GHz. Solche Ergebnisse zeigten, dass die klassische Bipolarstruktur noch große technische Reserven besaß. Anfang der 1990er-Jahre folgten immer leistungsfähigere Schaltungen und Prozesse, in denen SiGe-HBTs gemeinsam mit CMOS-Funktionen eingesetzt werden konnten.

Die Gegenwart: Hochfrequenz, Analogtechnik und spezielle Schaltkreise

Moderne Bipolartransistoren begegnen uns häufig dort, wo sie auf einer Leiterplatte nicht mehr als einzelnes dreibeiniges Bauteil zu erkennen sind. In integrierten Schaltungen übernehmen sie Funktionen von Differenzverstärkern, Temperaturfühlern, Spannungsreferenzen, HF-Verstärkern, Oszillatoren und schnellen Eingangsstufen. SiGe-BiCMOS-Technologien eignen sich unter anderem für schnelle Kommunikationsschaltungen und Messgeräte mit sehr hohen Frequenzen.

Auch eigenständige Bipolartransistoren werden weiterhin gefertigt: beispielsweise als kostengünstige Signalverstärker, Schalter kleiner Lasten oder Treiber in etablierten Anwendungen. Daneben existieren HBTs aus III-V-Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid für spezielle Hochfrequenzaufgaben. Der Bipolartransistor ist daher nicht ein einzelnes historisches Bauelement, sondern eine Familie, die sich an unterschiedliche Materialien und Einsatzfelder anpassen lässt.

Die Eigenschaften unterscheiden sich stark von den ersten Germanium-Sperrschichttransistoren. Heutige Strukturen besitzen kontrollierte Dotierprofile, passivierte Übergänge, gezielte Epitaxieschichten und hochoptimierte Kontakte. Trotzdem ist der physikalische Kern derselbe geblieben: Ein injizierter Ladungsträgerstrom durchquert eine dünne Basis und wird am Kollektor aufgenommen. Mehr als siebzig Jahre nach den ersten Versuchen gehört dieses Prinzip weiterhin zum Werkzeugkasten der Halbleitertechnik.

Der Weg vom Kristall zum industriellen Standard

Die Geschichte des Bipolartransistors zeigt besonders anschaulich, wie eine physikalische Idee zur industriellen Technologie wird. Bardeen und Brattain bewiesen 1947 mit einem empfindlichen Punktkontaktaufbau, dass eine Verstärkung im Halbleiter möglich war. Shockley entwickelte daraus 1948 das Konzept der zwei flächigen pn-Übergänge. Teal und Sparks zeigten, wie sich solche Strukturen mit kontrolliertem Kristallwachstum herstellen ließen. Erst Diffusion, Oxidmaskierung und Planarverfahren machten Millionen gleichartiger Bauelemente auf Wafern wirtschaftlich realistisch.

In der Folge durchlief der Bipolartransistor mehrere Rollen. Er ersetzte Elektronenröhren in Verstärkern, bildete die Grundlage früher elektronischer Rechner und Logikfamilien und ermöglichte integrierte Analogschaltungen. Später verlor er die dominierende Stellung in der Massendigitaltechnik an CMOS, gewann jedoch durch Bandstrukturtechnik und die Verbindung mit MOS-Prozessen neue Aufgaben.

Sein wichtigstes Erbe besteht vielleicht gerade darin, dass nicht ein einzelnes Produkt überlebt hat, sondern ein physikalisches Prinzip. Der dreischichtige Transistor von 1951, der planare Siliciumtransistor von 1960 und der moderne SiGe-HBT unterscheiden sich enorm in Fertigung und Leistungsfähigkeit. Verbunden sind sie durch dieselbe Erkenntnis: Wenn ein Halbleiter Ladungsträger gezielt injiziert, transportiert und sammelt, lässt sich daraus eine leistungsfähige elektrische Verstärkung erzeugen.