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"Urknall" der Mikroelektronik

Der erste integrierte Schaltkreis

Durchbruch mit Halbleitern

Der Transistor konnte nun zwar die großen, schweren Röhren ersetzen, aber da man für komplexere Rechenaufgaben sehr viele Transistoren benötigte und diese aufwändig verkabelt werden mussten, hatte man nach wie vor das Problem, dass viel Platz und Material für die Rechenmaschinen benötigt wurde.

Dieses Problem löste Jack St. Clair Kilby aus Great Bend, Kansas (1923-2005) in seinem einsamen Sommer im Labor: Er vereinte Transistor, Widerstand und Kondensator auf einem gemeinsamen Bauteil. Entscheidend beim integrierten Schaltkreis (englisch: Integrated Circuit, kurz IC) ist der Umstand, dass die Bauteile auf einer Platte montiert werden, die selbst Bestandteil der Schaltung ist. Das Halbleiter-Material (bei Kilby Germanium, heute meist Silizium) erspart die Verkabelung und ermöglicht es so, sehr viele Transistoren auf kleinstem Raum unterzubringen.

Kilbys Schaltkreis war ein sogenannter „Flip-flop“ oder „bistabiles Kippglied“. Solche Ein-Bit-Speicher sind bis heute das Grundelement jeglicher Computerspeicher.

Kilbys Erfindung kam nicht aus dem Nichts: Bereits 1949 hatte Werner Jacobi, der für Siemens & Halske in Erlangen arbeitete, seinen "Halbleiterverstärker" beim DPMA angemeldet ( DE833366B), der wesentliche Elemente eines integrierten Schaltkreises vorwegnahm. Auch der britische Elektroingenieur Geoffrey Dummer soll um 1950 herum einen integrierten Schaltkreis konzipiert haben (jedoch ohne Schutzrechte beantragt zu haben).

Wer zuerst anmeldet, hat die Nase vorn

Die Geschichte von Kilby und dem IC ist auch ein Lehrstück, das einmal mehr zeigt, wie wichtig es ist, sein geistiges Eigentum schnell anzumelden und zu schützen. Zeitgleich und unabhängig von Kilby hatte nämlich Robert Noyce ebenfalls den integrierten Schaltkreis entwickelt ( US 2981877A). Noyce arbeitete bei Fairchild Semiconductors, die gerade den ersten Diffusions-Bipolartransistor entwickelt hatten. Noyce war Kilby sogar einen Schritt voraus und nutzte bereits photolithografische Verfahren und Diffusionsprozesse zur Herstellung seines IC. Aber Kilby meldete als Erster (und zwar am 6. Februar 1959) ein Patent an ( US 3138743 A).

Es gab dann jahrelange patentrechtliche Streitigkeiten zwischen den Unternehmen, aber im Rückblick gingen Kilby und Noyce letztlich gleichberechtigt als Erfinder des IC in die Geschichte ein. Als Kilby im Jahr 2000 den Nobelpreis für Physik erhielt, war er sich sicher, dass er die Auszeichnung mit Noyce geteilt hätte, wenn dieser noch am Leben gewesen wäre („While Robert and I followed our own paths, we worked hard together to achieve commercial acceptance for integrated circuits. If he were still living, I have no doubt we would have shared this prize”). Noyce, Mitbegründer von Intel und Geburtshelfer von AMD, war bereits 1990 gestorben.

Rasante Entwicklung bis tief in den Nano-Bereich

Aber als Kilby und Noyce Ende der 1950er Jahre den IC entwickelten, passierte zunächst einmal so gut wie nichts. Es dauerte noch Jahre, bis die ersten Mikroprozessoren die Technik revolutionierten. Ein Meilenstein auf diesem Weg war der erste Taschenrechner, den Texas Instruments 1966 präsentierte und an dem wiederum Kilby maßgeblich beteiligt war.

Der integrierte Schaltkreis ist bis heute das Basiselement der Digitaltechnik, sei es in Küchengeräten, Smartphones, Autos und natürlich in Computern. Wie das „Mooresches Gesetz“ 1965 vorhergesagt hat, verdoppelte sich etwa alle 18 Monate die Zahl der Schaltkreise, die auf einem Chip untergebracht werden können. Heute kann der Mikroprozessor eines PCs mehrere Milliarden Transistoren enthalten.

Wie aber bringt man so eine unvorstellbare Zahl von Schaltungen auf einem kleinen Silikonplättchen unter? Mit Fotolack präparierte Halbleiter-Scheiben (englisch: Wafer) werden meist mittels eines photolithographischen Verfahrens in verschiedenen Schritten belichtet. Dabei werden die komplexen Strukturen des Mikrochips aufgetragen. Diese Strukturen lassen sich heute bis in den einstelligen Nanometerbereich auflösen.

Dutzende von Patentanmeldungen

Jack Kilby meldete im Laufe seiner langen Erfinderlaufbahn noch Dutzende von Patenten an, viele auch in Deutschland.

Etliche davon verbesserten die Einsatzmöglichkeiten von Integrierten Schaltkreisen, etwa „Anordnung und Verfahren zum schaltungsmäßigen Verbinden einer Anzahl von übereinandergestapelten Schaltplatten in Modulbauweise“ ( DE1132202) oder „Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung“ ( DE1207511A,1960).

Kurios mutet aus heutiger Sicht sein voluminöser Anrufbeantworter von 1958 an: „Telephone anwering device“ ( US2823262A). Technisch war es den meisten seinerzeit verfügbaren Geräten aber wohl deutlich voraus.

""Kleinstrechner" und Lernmaschine

Kilby entwickelte auch eine Art Lern-Computer: „Teaching machine“ ( US3386187A, 1966). Es handelte sich dabei um eine Art Multiple-choice-Fragemaschine: „This invention relates (…) to a machine for teaching arithmetic or other subjects which can be taught by repetitive drill. (…) The problems are prepared on a film strip and presented to the student, one at a time. The Student responds by selecting one of a number of keys representative of the possible answer. If the key corresponding to the correct answer is selected, the film strip is automatically indexed to the next frame. If the incorrect answer is selected, the Student may either select another key, or may depress an answer button which causes the correct answer to be revealed. Then by depressing the correct key, the film strip will index to the next problem.“

Zu seinen bedeutendsten Erfindungen gehört der Thermodrucker, der bis heute viel in Gebrauch ist: „Thermal Printer“ ( US3496333A, 1965). Und natürlich der Taschenrechner, mit dem der Siegeszug des Integrierten Schaltkreises erst so richtig begann. Eines der zugrundeliegenden Patente ist „Elektronischer Kleinstrechner“ ( DE1774893A (4,57 MB)), angemeldet 1968.

Aber Kilby erwies sich als wahrer technischer Visionär auch durch seine frühe Beschäftigung mit der Solarenergie: „Die Notwendigkeit, fossile Brennstoffe als Energiequelle zu ersetzen, ist bekannt“, schrieb er bereits 1976 in seiner Patentanmeldung „Energiewandler“ ( DE2633878A1 (1,7 MB)): „Die Erfindung bezieht sich auf die wirksame Umwandlung und Speicherung der Energie von Lichtquellen wie der Sonne. Auf Sperrschicht-Photozellen fallendes Licht erzeugt eine Spannung, die bewirkt, daß durch einen mit den Quellen in Kontakt stehenden Elektrolyten ein Strom fließt, der eine chemische Reaktion im Elektrolyten hervorruft.“

Bis ins hohe Alter arbeitete Kilby weiter an der Verbesserung der Einsatzmöglichkeiten für Integrierte Schaltkreise. Seine letzte Patentanmeldung reichte er 1995 ein: "Flip chip silicone pressure sensiitive conductive adhesive" ( US5611884A).

Text: Dr. Jan Björn Potthast, Bilder: Texas Instruments, DEPATISnet

Stand: 09.04.2024