Verlauf der Ladungsträgerkonzentration im n-p-Übergang

n-p-Kombination mit angelegter Spannung 
a) Polung in Flußrichtung
b) Polung in Sperr-Richtung

Spitzendiode

Der Begriff „Mikroelektronik" ist kein Modewort, aber auch kein Zauberwort, wenn manche Journalisten auch von der Wunderwelt der „Winzlinge" berichten. Die Mikroelektronik ist die größte technologische Herausforderung der Gegenwart. Und sie ist die entscheidende Schlüsseltechnologie der wissenschaftlich-technischen Revolution, denn Robotertechnik und Informatik; ja selbst Biotechnologie, sind ohne Mikroelektronik als Grundlage nicht realisierbar.
Von Anfang an habe ich diese Entwicklung interessiert verfolgt und sie in vielfältiger Form den Lesern unserer so populären Zeitschrift vermittelt. Und es erfüllte mich mit Stolz, als Genosse Erich Honecker auf dem X. Parteitag der SED feststellen konnte: „Die DDR gehört zu den wenigen Ländern in der Welt, die auf wichtigen Gebieten über das Potential verfügen, um mikroelektronische Bauelemente zu entwickeln und zu produzieren, ausgewählte Vormaterialien herzustellen und hochwertige technologische Ausrüstungen dafür zu fertigen."
Die Mikroelektronik ist deshalb auch eine Herausforderung an das Schöpfertum unserer Menschen, besonders der Jugend. Sie ist zugleich ein Bildungsanspruch, dem sich jeder stellen muss. Daher möchte ich in einer zwanglosen Folge von Beiträgen auf die vielseitigen Aspekte der Mikroelektronik eingehen. Gerade junge Menschen haben da viele Fragen, auf die zu antworten ist.
Wie begann das eigentlich mit der Mikroelektronik?
Es ist gerade 63 Jahre her, dass das Patent für einen Halbleiterverstärker, genannt „Transistor", erteilt wurde. Das berühmte USA-Patent Nr.2524035 erhielten 1948 John Bardeen (geb. 1908), Walter H. Brattain (geb. 1902) und William Shockley (geb. 1910), die in den Bell-Laboratorien die Halbleitereigenschaften des Germaniums untersuchten. Der erste Transistortyp, den sie entwickelten, war ein sogenannter Spitzentransistor. Auf einem n-leitenden Germaniumblock waren im Abstand von 20 μm zwei Spitzen aus 'Phosphorbronze aufgesetzt, eine bildete den Emitter-, die andere den Kollektoranschluss. In der Umgebung der Spitzen waren durch Formieren p-leitende Zonen entstanden. Damit war der Transistor mit der Zonenfolge p-n-p geschaffen, er kann als der Vorfahre aller nachfolgenden Entwicklungen angesehen werden. Zu Recht erhielten deshalb 1956 die Erfinder des Transistors den Nobel-Preis für Physik. Aber jede neue Entwicklung baut auf dem vorhandenen Erkenntnisstand auf. Das heute in der Mikroelektronik meistverwendete Material ist Silizium, das der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius 1823 entdeckt hatte. Für die Halbleiterelektronik erlangte es allerdings erst Bedeutung, als man es in höchster Reinheit herstellen konnte. Dabei bedeutet die erforderliche Reinheit von 99,9999999%, dass auf eine Milliarde Siliziumatome nur ein einziges Fremdatom entfällt. Etwa um 1833 wurden von dem englischen Physiker und Chemiker Michael Faraday Halbleitereigenschaften nachgewiesen. Und das_ ebenfalls als Halbleiter-Grundstoff verwendete Germanium konnte 1886 von dem deutschen Chemiker Clemens Winkler an der Bergakademie Freiberg entdeckt werden. Es war bereits einige Jahre davor von D. J. Mendelejew anhand seines periodischen Systems der Elemente als „Ekasilizium" vorausgesagt worden. Den Gleichrichtereffekt bei Halbleitern entdeckte F. Braun 1874 bei Stromfluss-Untersuchungen in Metallsulfiden. Die sich entwickelnde Funktechnik verlangte nach einem Detektor zum Nachweis der elektrischen Wellen. So konnte 1906 der bis dahin verwendete unstabile Metallfritter (Kohärer) von Branly durch den Kristalldetektor von H. H. C. Dunwoody abgelöst werden. Ebenfalls 1906 wurde von G. W. Pickard ein Siliziumdetektor mit Spitzenkontakt als HF-Gleichrichter vorgeschlagen. 1915 untersuchte C. A. F. Benedicks Gleichrichtereigenschaften beim Germaniumkristall. In den Anfangsjahren des Rundfunks, als der Kristalldetektor hauptsächlich als HF-Demodulator verwendet wurde, entdeckte O. W. Lossew, dass Kristalldetektoren unter bestimmten Voraussetzungen zur Schwingungserzeugung geeignet sind. Lossew entwickelte daraus den sogenannten Crystadynempfänger: Weil aber über die Vorgänge in Halbleitermaterialien nur ungenügende Kenntnisse vorhanden waren, wurden damals diese Arbeiten nicht fortgeführt. Während alle auftretenden Verstärkerprobleme mit der sich rasch entwickelnden Elektronenröhre realisiert wurden, gab es bei den Halbleiterdioden weitere Entwicklungen. Etwa 1925 kam der Kupferoxydulgleichrichter, 1928 der Selengleichrichter und 1941 die Germaniumdiode zur Anwendung. Bereits Anfang der 30er Jahre erhielten Lilienfeld -und Heil unabhängig voneinander Patente für einen Feldeffekttransistor, der danach technisch nicht realisiert werden konnte.
Die eigentliche Entwicklung der Halbleitertechnik begann 1948 mit dem Spitzentransistor, der eine Flut von Forschungsarbeiten - zur Untersuchung der Eigenschaften von Halbleiter-Einkristallen auslöste. Sehr schnell folgten neue Transistortypen mit verbesserten Eigenschaften. Das waren 1951 der Legierungstransistor und danach der Flächentransistor. 1953 folgte der Drifttransistor und 1954 der Siliziumtransistor, der später gegenüber dem Germaniumtransistor eine größere Bedeutung erlangte. Mit dem Diffusionstransistor und dem Mesatransistor erreichten 1956 die Germaniumtransistoren einen gewissen Abschluss. Die Forschung konzentrierte sich auf den aussichtsreichen Siliziumtransistor und den noch ausstehenden Feldeffekttransistor. Eine wesentliche Verbesserung brachte 1960 die Entwicklung der Silizium-Planartechnologie, mit der erst Feldeffekttransistoren und integrierte Schaltkreise realisierbar waren.
1958 wurde von dem Amerikaner Kilby erstmals eine integrierte Schaltung angegeben. Sie war noch primitiv, und enthielt nur wenige integrierte Bauelemente. 1960 begann Texas Instruments (TI) mit der Fertigungsaufnahme einer ersten Serie von digitalen, bipolaren Schaltkreisen (RCTL-Serie 51). Und 1962 entstand die bekannte TTL-Schaltkreisfamilie mit bipolaren -Transistoren, 1964 folgten die unipolaren MOS-Schaltkreise. Eine wesentliche Verbesserung gelang 1967 mit der komplementären MOS-Technik (CMOS). Die weitere Entwicklung hochintegrierter Schaltkreise konzentrierte sich auf verbesserte MOS-Technologien, da die MOS-Struktur einen kleineren Flächenbedarf hat. Integrierte Schaltkreise werden kollektiv im Scheibenprozess hergestellt. Durch die ständige Verringerung des Flächenbedarfs der Bauelemente und die möglichen größeren Chips durch steigende Scheibendurchmesser wird die Anzahl der Funktionselemente/ Chip laufend erhöht. 1 Million Funktionselemente/Chip liegen heute im Bereich des Möglichen.
Der Mikroprozessor, heute der zentrale Baustein der Mikroelektronik, war eigentlich eine Fehlentwicklung. Die Firma Datapoint Corp. hatte für ihre Rechner eine einfache Zentraleinheit entworfen. Von den Firmen TI und Intel ließ sie dafür eine integrierte Version auf einem Chip entwickeln. 1969 hatte der Intel-Mitarbeiter M. E. Hoff diese Aufgabe erfolgreich gelöst. Aber der Chip führte die Befehle zu langsam aus, so dass Datapoint nicht daran interessiert war. So saß Intel auf einem computerähnlichen Chip, der hohe Kosten verursacht hatte. Man bot ihn 1971 als programmierbaren Logikschaltkreis „8008" an. Findige Ingenieure ergänzten den „8008" mit peripheren Schaltkreisen zum Mikrocomputer mit 8 Bit Verarbeitungsbreite.

Wie begann es in der DDR?

Die Entwicklung der Halbleiterproduktion in der DDR begann 1952 im Werk für Bauelemente der Nachrichtentechnik „Carl von Ossietzky" in Teltow bei Berlin (später Stammbetrieb im VEB Kombinat Elektronische Bauelemente). Eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Dr. Mathias Falter begann mit der labormäßigen Herstellung von Germanium-Spitzentransistoren. Diese Transistoren hatten drei Steckerstifte, und wie bei Elektronenröhren erforderten sie eine 3-polige Steckfassung für den Schaltungsaufbau: Das Halbleitermaterial war n-leitendes Germanium. Im Abstand von 20 μm waren zwei geätzte Spitzen (Emitter/Kollektor) aus Phosphorbronze aufgesetzt, in deren Umgebung p-leitende Zonen durch Formieren erzeugt wurden. Damit entstand die für den Transistor erforderliche Zonenfolge p-n-p.
Hergestellt wurden mehrere NF-Transistoren (1 NC-010/022), ein Audiontransistör (2 NC-010) und ein Oszillatortransistor (3 NC-010). Die Stromverstärkung dieser Transistoren war nicht groß, die Grenzfrequenz reichte bis 10 MHz. Die Verlustleistung lag im Bereich von 100 bis 150 mW, für die Kollektorspannung wurde maximal 50 V angegeben: Sehr schnell wurden Mitte der 50er Jahre die Spitzentransistoren von den besseren Flächentransistoren verdrängt. Erste p-np-Flächentransistoren waren die NF-Typen OC 810/OC 811.
Bereits die 3. Parteikonferenz der SED formulierte 1956: „Die Erforschung der Verwendungsmöglichkeiten der Halbleiter für die Entwicklung der Elektrotechnik muss wissenschaftlich und produktionstechnisch besonders gefördert werden." Am 2. Januar 1958 begann dann der VEB Halbleiterwerk Frankfurt (Oder) mit der Produktion von Halbleiterdioden im Gebäude seiner späteren Betriebsberufsschule, ab 1959 wurden verbesserte Germaniumtransistoren gefertigt. Inzwischen entstand der Werkskomplex Markendorf, in dem heute mehrere tausend Halbleiterwerker arbeiten. Ab 1967 wurden Siliziumtransistoren' produziert, 1971 begann die Fertigung von integrierten Schaltkreisen in Frankfurt (O.).
Der ständig steigende Bedarf an Halbleiterbauelementen in der Volkswirtschaft der DDR führte zum Aufbau weiterer Fertigungskapazitäten. So wurden bipolare Transistoren und Schaltkreise vorwiegend im VEB Halbleiterwerk Frankfurt (Oder) und im VEB Mikroelektronik „Anna Seghers" Neuhaus gefertigt. Unipolare MOS-Transistoren und MOS-Schaltkreise produzierten der VEB Mikroelektronik „Karl Marx" Erfurt und der VEB Zentrum für Forschung und Technologie Mikroelektronik Dresden. Halbleitergleichrichter gehörten zum Produktionsprofil des VEB Mikroelektronik „Karl Liebknecht" Stahnsdorf und optoelektronische Bauelemente produzierte der VEB Werk für Fernsehelektronik Berlin. Seit Anfang 1978 war die Halbleiterindustrie der DDR im VEB Kombinat Mikroelektronik zusammengeschlossen.

Bedeutsame Tagung des ZK der SED

Von ausschlaggebender Bedeutung für die beschleunigte Entwicklung der Schlüsseltechnologie Mikroelektronik in der DDR war die 6. Tagung des Zentralkomitees der SED (23./24. 6. 1977), die die Durchführung der Beschlüsse des IX. Parteitages der SED auf dem Gebiet der Elektrotechnik und Elektronik zum Inhalt hatte. Der Beschluss dieser 6. Tagung des ZK der SED orientierte auf so wichtige Aufgabenstellungen wie

• die wichtigsten Aufgaben der Elektrotechnik und Elektronik sind auf dem Hauptweg der Intensivierung zu lösen
• die dominierende Rolle der Mikroelektronik im Prozess der Intensivierung
• der Bevölkerung sind neue, moderne elektrotechnische und elektronische Konsumgüter in hoher Qualität anzubieten
• die Verantwortung der Elektrotechnik und Elektronik für den weiteren Ausbau der materiell-technischen Basis der Volkswirtschaft der DDR
• die materiell-technische Sicherung der Leistungsentwicklung der Elektrotechnik und Elektronik
• die wachsenden Anforderungen an die Führungstätigkeit der Partei in den Grundorganisationen der Elektrotechnik und Elektronik

Wenn man damals, im Jahr 1986, Begriffe wie Mikroelektronik, Robotertechnik, flexible Fertigungsautomatisierung, Personalcomputer, CAD/CAM-Technik und andere im täglichen Sprachgebrauch verwendete, so war dies das Ergebnis einer erfolgreichen Politik bei der Durchsetzung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts in unserem Land. Wie in allen führenden Industrieländern der Welt ist auch bei uns die Mikroelektronik mit ihrem schnellen Entwicklungstempo zur wichtigsten Basisinnovation geworden. Sie nimmt daher zu Recht in unserer Wirtschaftsstrategie eine Schlüsselstellung ein bei der Verbindung der wissenschaftlich-technischen Revolution mit den Vorzügen des Sozialismus.

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist