Germanium Transistoren


Was sich unmittelbar nach der Erfindung des Spitzentransistors getan hat ist atemberaubend.
Spitzentransistoren waren ja fast Handarbeit, der Spitzenabstand der beiden Elektroden am Kristall musste ja per Hand justiert werden.
Deshalb hat Shockley, ein genialer, aber schwieriger Charakter, den gezogenen Transistor entwickelt, wo die aktive Zone im Inneren des Germaniumkristalls liegt. Die Herstellung war auch schwierig, die Qualität der Transistoren jedoch dem Spitzentransistor weit überlegen.
Die Basiszone musste überdies individuell gesucht werden!
Dieser Weg wurde aber auch bald verlassen. Ein Bild finden sie hier:
http://homepages.rpi.edu/~schubert/Educational-resources/1949%20First%20junction%20transistor%20%28Shockley%20et%20al%29.jpg

Bei der nächsten Technologiestufe, ca. 1951, war ich im Jahr 1956 erstmals mit dem OC71 dabei, den ich um 65 öS kaufte, fast 5 Euro, wertangepasst heute 50 Euro. Alle NF-Transistoren basierten in den 60er Jahren auf dieser Technologie. Ich habe einen AC126 geöffnet und zeige im Vergleich dazu eine Miniaturpentode um den Riesenaufwand der Röhrenherstellung zu zeigen. Der Heizfaden, der die Elektronen liefert, wurde mit einer Spiralfeder gespannt, gut zu sehen!

Im linken Bild sieht man gut das, auf ein Basisblech aufgelötete, runde Transistorsystem.
Im Vergleich zum robusten Transistoraufbau ist die Röhre viel filigraner. Nach 50 Jahren sind die Transistoren noch immer innerhalb der Spezifikation. Der Transistor ist ja, wie zu sehen, durch und durch aus massivem Metall.

Noch ein Schnittbild durch das Transistorsystem, das die angeätzten Schichten E-B-C zeigt.

Die Basisschichtdicke beträgt etwa 50 µ. Darum ist auch die Grenzfrequenz niedrig, nur für NF Anwendungen geeignet. Die Halbkugeln aus Indium ergaben eine p-Dotierung des n-dotierten Germaniums. Der Legierungsvorgang wurde für jede Seite separat ausgeführt.
Anschliessend folgt die Systemmontage. Noch einige Transistoren aus meiner Sammlung, alle älter als 50 Jahre.

Die ersten HF-Transistoren waren der OC44 und OC45. Die Technologie war ident mit den NF Typen, nur die Basisdicke war geringer. Die ersten damit ausgestatteten MW-Portables zeigte man sehr stolz in der Öffentlichkeit. Es war jetzt 1956. Die ersten HF Transistoren die auch für UKW geeignet waren, scharrten in den Startlöchern.
Dazu war aber eine Änderung der Herstellungstechnologie erforderlich. Waren die bisherigen Transistoren „Legierungstransistoren“, so war nun die Diffusionstechnologie „state of the art“.

Das p-Ausgangsgermanium mit ca. 2 Ohmcm war nun der Kollektor und nicht mehr die Basis. Beide Anschlüsse für Emitter und Basis liegen auf derselben Seite. Was natürlich eine Erleichterung in der Herstellung war. Es wurde Gebrauch von den unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten von Bismut, Aluminium und Arsen in Germanium gemacht. Es konnte auch Blei, Gallium und Arsen sein.

Noch ein Satz über die Dotierung. Um die p- oder n-Leitfähigkeiten der 3 Schichten eines Transistors zu erreichen dotiert man. Elemente der Gruppe 3 im Periodensystem, Al, Ga und Indium ergeben p-Leitfähigkeit, Elemente der Gruppe 5 im Periodensystem, Phosphor, Arsen und Antimon n- Leitfähigkeit. Germanium und Silizium liegen dazwischen in der 4. Gruppe.
http://www.frantz.fi/software/gperiodic.php
Der Herstellungsprozess ist recht einfach. Sie werden schmunzeln! Geheim ist ja fast nichts.
Zuerst ein Bild, selbst fotografiert mit meiner Lumix:

Ein Träger aus Stahlblech, darauf aufgelötet das Ge-Plättchen mit ca. 0,5 x 0,8 mm und letztlich das Emitter und Basiskügelchen aus Bismuth mit einigen Prozent Legierungsanteilen, siehe oberhalb, mit 0,15 mm Durchmesser.

Es wurden viele Plättchen in einer Schablone plaziert. Es konnte auch ein Wafer sein, der nach dem Ofenprozess geritzt, gebrochen und vereinzelt wurde. Darauf eine weitere Schablone mit Löchern für die Kügelchen, verschiedener Legierung. Also musste eine weitere, um den Kugelabstand verschiebliche Maske her um immer nur ein Loch freizugeben.

Je nach Loch wurden die entsprechenden Kügelchen darübergeleert und mit einer kleinen Bürste so lange verteilt, bis man annehmen konnte, dass alle Löcher gefüllt waren, was nie der Fall war. Das ganze wurde für das andere Loch wiederholt.
Nach Entfernung der Einlochmaske kam die Anordnung in einen Ofen mit einem geeigneten Temperatur- Zeitablauf. Der war natürlich ein Geheimnis und auch ein folgender Ätzprozess. Fertig war das Transistorsystem! Die Montage war noch Handarbeit.
Es spielte sich im Ofen, mit bestimmter Atmosphäre folgendes ab:

Das linke Kügelchen und der Temperatur- Zeitprozess formten den Emitter und die Basis gleichzeitig, auf Grund der unterschiedlichen Diffusionsraten. In der Emitterschicht überwiegt der Al-Einfluss gegenüber dem Arsen, es ergibt sich eine p-Zone. Das ist doch genial !
Das rechte Kügelchen ergibt nur den Anschluss für die Basis, die ja schon vom linken Kügelchen geformt wird.
Die Basisschichtdicke liegt so um die 2 µ im Vergleich zu den 50 µ von NF-Typen.
Damit konnte man dann schon in den UKW – und später bis UHF- Bereich vorstossen.
Alle Bilder und Zeichnungen sind mit der Lumix fotografiert, bzw. von mir angefertigt und können mit Quellenangabe verwendet werden.

Die Herstellung von Si-Transistoren und die Planartechnologie sollten genügend bekannt sein.
Schauen sie einmal da vorbei: http://www.pbs.org/transistor/tv/index.html

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