Vom Germanium zum Silicium

14.09.2026

Germanium war schneller, leichter zu reinigen und billiger zu fertigen – warum es gegen Silicium trotzdem verlor, und wo es heute wieder auftaucht.

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Um 1950 sprach in der Transistorfertigung vieles für Germanium. 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.

1947: Ein Kristall verdrängt die Elektronenröhre

Als John Bardeen und Walter Brattain im Dezember 1947 bei Bell Labs einen funktionierenden Punktkontakttransistor demonstrierten, bestand sein aktives Material aus Germanium. Die beiden Metallspitzen und das Halbleiterstück sahen unscheinbar aus, doch erstmals ließ sich damit eine elektrische Verstärkung ohne geheizte Elektronenröhre erreichen. Germanium war bereits aus der Radartechnik bekannt: Kristallgleichrichter wurden während des Zweiten Weltkriegs für Hochfrequenzempfänger untersucht und eingesetzt. Wissenschaftler verfügten daher über Erfahrung mit Kontakten, Kristallen und elektrischen Kennlinien.

Dass Bell Labs Germanium verwendete, war kein grundsätzlicher Beweis gegen Silicium. Es zeigte vielmehr, welches Material Ende der 1940er-Jahre für aufwendige Laborversuche am zuverlässigsten verfügbar war. Silicium wurde ebenfalls untersucht, ließ sich aber bei der nötigen Reinheit und Kristallqualität schwerer beherrschen. Die Geschichte beginnt daher nicht mit einem Wettstreit zweier gleich weit entwickelter Fertigungsverfahren: Germanium hatte einen deutlichen Vorsprung bei den verfügbaren Proben und bei der praktischen Erfahrung.

Vom Germaniumstab zum einkristallinen Transistor

Ein Halbleiter muss für einen zuverlässigen Transistor außergewöhnlich homogen sein. Fremdatome können gezielt als Dotierstoffe dienen, unkontrollierte Verunreinigungen stören hingegen die Ladungsträgerbewegung. Mit polykristallinem oder stark verunreinigtem Material lassen sich elektrische Eigenschaften nur unzureichend reproduzieren. Deshalb war die Herstellung großer Einkristalle mindestens ebenso wichtig wie der elektrische Schaltplan des Transistors.

Bei Bell Labs entwickelte Gordon Teal mit Kollegen Kristallzuchtanlagen, die auf dem bereits 1917 beschriebenen Czochralski-Prinzip beruhten. Ein kleiner Impfkristall wird aus einer Schmelze gezogen; unter kontrollierten Bedingungen wächst ein zusammenhängender Kristall. Morgan Sparks nutzte solche Kristalle, um während des Wachstums unterschiedliche Dotierstoffe einzubringen. Auf diese Weise entstanden definierte p- und n-Gebiete. 1951 stellten Bell Labs den gezogenen Sperrschichttransistor vor. Er war auf Dauer zuverlässiger und besser reproduzierbar als der empfindliche Punktkontaktaufbau.

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 bereits 1950/51 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 frühen 1950er Jahren war Germanium damit für viele Transistoranwendungen der pragmatischere und zunächst leichter zu beherrschende Werkstoff – die ersten Transistorradios, Hörgeräte und frühen Rechenmaschinen liefen fast ausnahmslos mit Germanium-Transistoren.

1950–1955: Reinheit wird zur Schlüsseltechnologie

Bei Halbleitern reichen bereits winzige Mengen bestimmter Verunreinigungen aus, um die elektrische Leitfähigkeit entscheidend zu verändern. William Pfann entwickelte bei Bell Labs 1950/51 das Zonenschmelzverfahren: Eine schmale, geschmolzene Zone wandert durch einen Kristallstab. Verunreinigungen verteilen sich bevorzugt in der Schmelze und lassen sich durch wiederholte Durchgänge an ein Ende des Stabes transportieren, das anschließend entfernt wird. Das Verfahren war zunächst besonders für Germanium geeignet und wurde 1952 veröffentlicht.

Silicium stellte schwierigere Anforderungen. Mit einem Schmelzpunkt von etwa 1.414 Grad Celsius reagiert flüssiges Silicium mit vielen Tiegelmaterialien; die herkömmliche Zonenreinigung war deshalb kaum direkt übertragbar. Henry Theurer bei Bell Labs sowie weitere Gruppen entwickelten Varianten des tiegelfreien Zonenziehens (Float Zone): Eine kleine Schmelzzone wird durch Oberflächenspannung zwischen den festen Enden eines Siliciumstabes gehalten. Es gelang, den Fremdatomgehalt drastisch zu senken. Parallel wurden chemische Verfahren zur Reinigung von Ausgangsmaterial verbessert. Erst diese Fortschritte machten Silicium als zuverlässiges Transistormaterial wirtschaftlich interessant.

1954: Bell Labs und Texas Instruments liefern Siliciumtransistoren

Ein früher technischer Durchbruch gelang im Januar 1954 Morris Tanenbaum bei Bell Labs. Er stellte einen Siliciumtransistor mit pn-Übergängen her. Bell Labs bewertete den damaligen Herstellungsweg allerdings nicht als ausreichend attraktiv für eine schnelle Kommerzialisierung. Wenige Monate später verfolgte Texas Instruments eine eigene Entwicklung: Gordon Teal, der zuvor bei Bell Labs gearbeitet hatte, leitete dort den Aufbau entsprechender Verfahren. Ein Team um Willis Adcock stellte im April 1954 einen funktionierenden Silicium-Sperrschichttransistor her.

Am 10. Mai 1954 demonstrierte Teal die Technik auf einer Tagung in Dayton, Ohio. Um den Unterschied greifbar zu machen, erhitzte er eine Verstärkerschaltung mit Germaniumtransistoren und eine entsprechende mit Siliciumtransistoren. Während die Germaniumschaltung bei der Erwärmung ihre Funktion verlor, arbeitete die Siliciumversion weiter. Die Vorführung war bewusst eindrucksvoll: Statt nur Datenblätter zu vergleichen, zeigte TI, welchen Nutzen die neue Materialwahl bei hohen Temperaturen haben konnte. Der Weg zur industriellen Ablösung war damit eröffnet, aber noch keineswegs abgeschlossen.

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, stiegen bei vielen damaligen Germanium-Bauelementen schon im Bereich von etwa 75 bis 100 Grad Celsius die Leckströme stark an – ein ernstes Problem für alles, was im Automobil, in der Industrie oder im Militärbereich zuverlässig auch bei höheren Umgebungstemperaturen arbeiten musste. Geeignet ausgelegte Silicium-Bauelemente konnten deshalb in einem deutlich größeren Temperaturbereich zuverlässig arbeiten; die konkrete Höchsttemperatur hängt stets vom Bauelement ab.

Zweitens, und langfristig entscheidender: Germanium bildet kein ähnlich robustes, leicht beherrschbares natives Oxid wie Silicium. Germaniumoxide können wasserempfindlich sein und sind als stabile Prozessisolatoren deutlich schwieriger nutzbar. 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 ungünstige Oxidverhalten zu einem erheblichen industriellen Nachteil. 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 vergleichbare Passivierungs- und Isolationstechniken war für Germanium der gleiche technologische Sprung jedenfalls erheblich schwieriger.

Warum eine stabile Oxidschicht die Fertigung veränderte

Bei Silicium lässt sich durch kontrollierte thermische Oxidation eine gleichmäßige Schicht aus Siliciumdioxid (SiO₂) herstellen. Sie kann als Schutz gegen Verunreinigungen, als elektrisch isolierende Schicht und – je nach Schichtdicke und Dotierstoff – als Maske für nachfolgende Diffusionsschritte dienen. Germanium bildet zwar ebenfalls Oxide, doch deren Verhalten an der Oberfläche und in feuchter Umgebung ist für solche Prozesse wesentlich schwieriger zu kontrollieren. Das schloss Germanium nicht grundsätzlich von jeder modernen Bauelementstruktur aus, verschaffte Silicium aber einen enormen Fertigungsvorsprung.

1955 beobachteten Carl Frosch und Lincoln Derick bei Bell Labs, wie sich eine Oxidschicht auf Silicium während thermischer Behandlung gezielt nutzen ließ. Sie fanden heraus, dass sich Öffnungen in die Oxidschicht ätzen und darunter ausgewählte Gebiete dotieren lassen. Damit wurde aus der zunächst störenden Oberflächenreaktion ein präzises Hilfsmittel der Halbleiterfertigung. Statt den gesamten Wafer überall gleichzeitig zu verändern, konnte man elektrische Eigenschaften an vorher festgelegten Stellen erzeugen – eine entscheidende Voraussetzung für viele gleiche Bauelemente auf einem Substrat.

1959: Hoernis Planartechnik macht Silicium zur Systemplattform

Frühe Silicium-Mesatransistoren hatten eine empfindliche Oberfläche. Die pn-Übergänge traten an freigeätzten Flanken aus dem Kristall heraus; Feuchtigkeit und Verschmutzung konnten die Sperrströme erhöhen. Jean Hoerni, Mitgründer von Fairchild Semiconductor, suchte deshalb einen Weg, die aktiven Strukturen dauerhaft zu schützen. 1959 demonstrierte er einen Transistor, dessen Oberfläche nach der Herstellung weiterhin von Siliciumdioxid bedeckt war. Nur an benötigten Stellen wurden Kontaktfenster geöffnet.

Diese Planartechnik verbesserte die Zuverlässigkeit und machte eine weitere Idee praktikabel: Robert Noyce erkannte, dass Metallbahnen über der isolierenden Oxidschicht mehrere Bauelemente auf demselben Chip verbinden konnten. So entstand der Weg zu reproduzierbaren monolithischen integrierten Schaltungen. Nicht eine einzelne Materialkennzahl entschied hier über den Sieger, sondern ein industrielles Gesamtverfahren aus Oxidation, Lithografie, Dotierung und Metallisierung. Germanium hätte für eine vergleichbare Plattform neue, ähnlich robuste Isolations- und Passivierungsmethoden benötigt.

Vom Bipolartransistor zum MOSFET

Die stabile Grenzfläche zwischen Silicium und Siliciumdioxid erwies sich noch für eine zweite Entwicklung als entscheidend. Mohamed Atalla und Dawon Kahng bei Bell Labs entwickelten Ende der 1950er-Jahre einen funktionsfähigen MOS-Feldeffekttransistor, den sie 1960 öffentlich vorstellten. Die Oxidschicht isoliert dabei die Gate-Elektrode vom Halbleiter und erlaubt es, den Stromfluss im Kanal elektrisch zu steuern. Für Germanium hatten frühere Feldeffektversuche unter anderem an schwer kontrollierbaren Oberflächenzuständen gelitten.

Zunächst verdrängte der MOSFET den Bipolartransistor nicht unmittelbar. Frühe MOS-Schaltungen waren noch vergleichsweise langsam und zeigten eigene Zuverlässigkeitsprobleme. Mit verbesserten Oxidschichten, kontrollierten Grenzflächen und später CMOS-Schaltungen wurde aber gerade die MOS-Technologie zum Fundament großer digitaler Speicher und Prozessoren. Damit verschob sich die Materialfrage: Silicium war nicht nur für einzelne Transistoren geeignet, sondern bot eine über Jahrzehnte erweiterbare Fertigungsplattform.

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. In führenden neuen Fertigungsverfahren dominierte Silicium zunehmend, während Germanium in bestimmten diskreten Anwendungen noch deutlich länger genutzt wurde.

Warum der Materialwechsel wirtschaftlich nicht sofort erfolgte

Die ersten Siliciumtransistoren waren aufwendig und teuer. Die erforderliche Kristallqualität musste erreicht, die Dotierung beherrscht und die mechanische Verarbeitung verbessert werden. Für tragbare Radios und Hörgeräte hatten Germaniumtransistoren weiterhin praktische Vorteile. Hersteller hatten bestehende Anlagen, eingespielte Fertigungsprozesse und bereits bewährte Schaltungskonzepte. Ein Materialwechsel hätte zusätzliche Investitionen bedeutet, ohne dass jeder Kunde unmittelbar einen Nutzen daraus gezogen hätte.

In Militärtechnik, Raumfahrt und großen Computersystemen verschob sich die Kalkulation dagegen früher. Ein Bauelement, das bei höheren Temperaturen und geringeren Sperrströmen stabil funktionierte, konnte dort deutlich mehr wert sein als eine kurzfristige Einsparung bei der Anschaffung. Die Massenfertigung auf Siliciumwafern verbesserte anschließend die Kostenstruktur: Immer mehr Bauelemente ließen sich mit denselben wiederholbaren Prozessen herstellen, prüfen und später in integrierte Schaltungen überführen. Der Vorsprung verstärkte sich damit selbst.

1961: Silicium holt auch bei der Geschwindigkeit auf

Ein verbliebener Vorteil der frühen Germaniumbauelemente war die Schaltgeschwindigkeit. Aus einer höheren Ladungsträgerbeweglichkeit folgt allerdings nicht automatisch, dass ein beliebiger Germaniumtransistor grundsätzlich schneller sein muss als jeder Siliciumtransistor. Die konkrete Geschwindigkeit hängt auch von Geometrie, Dotierung, parasitären Kapazitäten und Lebensdauer der Ladungsträger ab. In den frühen Jahren waren diese Fertigungsparameter bei Germanium oft günstiger beherrscht.

Für den geplanten Großrechner CDC 6600 benötigte Seymour Cray besonders schnelle Transistoren. Fairchild entwickelte dafür unter anderem neue epitaktische Strukturen und eine gezielte Golddotierung zur Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer. 1961 stellte das Unternehmen den Siliciumtransistor 2N709 vor, der zuvor verwendete schnelle Germaniumtypen bei der Schaltleistung übertreffen konnte. Das war ein weiterer Wendepunkt: Silicium wurde nicht bloß als robuste, langsamere Alternative interessant, sondern konnte auch anspruchsvolle Hochgeschwindigkeitselektronik ermöglichen.

Die Rückkehr als Silicium-Germanium-Legierung

Germanium verschwand nicht vollständig aus der Elektronik. Eine besonders wichtige Rückkehr begann in den 1980er-Jahren mit Silicium-Germanium (SiGe). In einem Silicium-Germanium-Heterojunction-Bipolartransistor wird beispielsweise die Basis durch eine geeignete SiGe-Schicht gebildet. Die veränderte Bandstruktur kann den Ladungsträgertransport und damit die Verstärkung bei hohen Frequenzen verbessern. Der Vorteil beruht nicht einfach nur auf einer höheren Beweglichkeit von Germanium, sondern auf der gezielten Auslegung des Energiebandprofils und der Basiszone.

Forscher von IBM demonstrierten Ende der 1980er-Jahre solche Bauelemente und brachten sie in den 1990er-Jahren näher an die industrielle Fertigung. SiGe-Heterojunction-Transistoren lassen sich mit siliciumbasierten Produktionsverfahren und CMOS-Schaltungen kombinieren, beispielsweise in BiCMOS-Technologien. Einsatzgebiete reichen von Hochfrequenzverstärkern über Kommunikationsschaltungen bis zu Mess- und Radarsystemen. Aus dem einst verdrängten Grundmaterial wurde dadurch ein gezielter Zusatzwerkstoff innerhalb einer weiterhin von Silicium geprägten Halbleiterindustrie.

Germanium in verspannten Kanälen und in der Photonik

Auch bei MOS-Transistoren kann Germanium wieder nützlich werden. Silicium-Germanium-Schichten beeinflussen die Gitterkonstante und können gezielte mechanische Verspannungen im Kanal hervorrufen. Solche Verspannungen verändern die Bandstruktur und die Beweglichkeit der Ladungsträger; insbesondere p-Kanal-Transistoren profitieren in geeigneten Architekturen davon. In manchen modernen Technologien werden zudem SiGe-Source- und Drainbereiche oder Kanäle mit erhöhtem Germaniumanteil verwendet. Die genaue Ausführung hängt stark von der Transistorgeneration ab.

Ein weiteres Einsatzfeld ist die Siliciumphotonik. Silicium eignet sich gut zum Führen von Licht in integrierten Wellenleitern, absorbiert aber die typischen Telekommunikationswellenlängen nicht in der für kompakte Siliciumfotodetektoren nötigen Weise. Germanium besitzt hierfür günstigere optische Eigenschaften und lässt sich in geeigneten Prozessen auf Silicium integrieren. Damit entstehen Photodioden für schnelle optische Datenverbindungen, ohne eine vollständig fremde Chipplattform aufzubauen. Wieder ergänzen sich die Werkstoffe statt einander vollständig zu ersetzen.

Warum heute beide Materialien wichtig sind

Rückblickend war die Durchsetzung des Siliciums keineswegs allein eine Frage seiner größeren Bandlücke oder seiner Verfügbarkeit in der Erdkruste. Entscheidend war ein Zusammenspiel: verbesserte Materialreinigung, beherrschbare Einkristallherstellung, stabile Oxidschichten, reproduzierbare Planarprozesse und der anschließende Ausbau einer riesigen industriellen Fertigungskette. Aus den frühen Einzeltransistoren wurden integrierte Schaltungen, Speicher und Mikroprozessoren. Die dabei entwickelten Anlagen und Verfahren machten das Material mit jeder Generation attraktiver.

Germanium erinnert zugleich daran, dass Halbleitermaterialien nicht einfach dauerhaft in Sieger und Verlierer eingeteilt werden können. Seine Vorteile wurden durch die frühen Fertigungsbedingungen zunächst besonders gut nutzbar; später überwogen Siliciums Prozessvorteile. Heute bringt Germanium gerade dort zusätzliche Leistung, wo die klassische Siliciumtechnologie an Grenzen stößt. Die Geschichte ist deshalb weniger die Ablösung eines schlechten Materials durch ein gutes als die Entwicklung einer industriellen Plattform, die andere Werkstoffe zunehmend gezielt einbindet.