Technik kurz erklärt Die Entwicklung des Schaltkreises

Von Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler Lesedauer: 4 min |

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In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir regelmäßig Meisterwerke der Konstruktion und besondere Entwicklungen vor. Heute: der Integrierte Schaltkreis.

Ein integrierter Schaltkreis ist ein Halbleiterplättchen, auf dem sich Millionen von kleinen Transistoren, Kondensatoren und Widerständen befinden.
Ein integrierter Schaltkreis ist ein Halbleiterplättchen, auf dem sich Millionen von kleinen Transistoren, Kondensatoren und Widerständen befinden.
(Bild: Edelweiss - stock.adobe.com)

Vor ein paar Tagen wäre er 100 Jahre alt geworden – Jack St. Clair Kilby, der „Vater des Mikrochips“. Jack Kilby wurde am 8. November 1923 geboren, verbrachte seine Jugend in Great Bend in Kansas und ging zum Studium der Elektrotechnik – dieses Interesse hat ein Radio schon im frühen Alter geweckt – nach Illinois, später an die University of Wisconsin in Milwaukee. 1958 begann er seine Arbeit für Texas Instruments, wo er die meisten seiner zahlreichen Erfindungen machte.

Eine dieser Erfindungen ist ihm gelungen, als er als Neuling bei Texas Instruments im Sommer 1958 keinen Urlaub nehmen durfte und so das Labor für sich alleine hatte. Texas Instruments hatte Kilby erlaubt, an der Miniaturisierung elektronischer Komponenten zu arbeiten. Und das tat er: Als seine Kollegen aus dem Urlaub zurück kamen, präsentierte er am 12. September 1958 einen Meilenstein der Technikgeschichte – den ersten Integrierten Schaltkreis.

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Transistor, Widerstand und Kondensator auf einem Bauteil

Eine entscheidende Grundlage für seine Entwicklung war 1947 mit der Erfindung des Transistors in den Bell Laboratories gelungen. Dieser konnte die großen, schweren Röhren ersetzen; dennoch waren für komplexe Rechenaufgaben sehr viele Transistoren nötig, sodass nach wie vor viel Zeit, Platz und Material investiert werden musste. Dieses Problem löste Jack Kilby: Er vereinte Transistor, Widerstand und Kondensator auf einem gemeinsamen Bauteil.

Entscheidend beim Integrierten Schaltkreis (kurz IC für Integrated Circuit) ist der Umstand, dass die Bauteile auf einer Platte montiert werden, die selbst Bestandteil der Schaltung ist. Dadurch ist keine Verkabelung nötig und sehr viele Transistoren können auf kleinstem Raum untergebracht werden. Als Halbleiter-Material verwendete Kilby Germanium, heute wird meist Silizium eingesetzt. Kilbys Schaltkreis war ein sogenannter „Flip-flop“ oder „bistabiles Kippglied“. Solche Ein-Bit-Speicher sind bis heute das Grundelement jeglicher Computerspeicher.

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikrominiaturisierte, integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit einem Halbleiterplättchen, in dem oder auf dem mehrere aktive und/oder passive elektrische Schaltungselemente gebildet sind, sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Zitat aus dem deutschen Patent von Jack Kilby

Auch andere Erfinder hatten sich schon mit dem Thema beschäftigt. 1949 hatte zum Beispiel Werner Jacobi, der für Siemens & Halske in Erlangen arbeitete, seinen „Halbleiterverstärker“ beim DPMA angemeldet, der grundlegende Elemente eines integrierten Schaltkreises vorwegnahm. Auch der britische Elektroingenieur Geoffrey Dummer soll um 1950 herum einen integrierten Schaltkreis konzipiert haben.

Patentstreit zwischen Kilby und Noyce

Zeitgleich und unabhängig von Kilby hatte auch Robert Noyce, der spätere Gründer von Intel, einen integrierten Schaltkreis entwickelt. Noyce arbeitete zu dem Zeitpunkt bei Fairchild Semiconductors, Entwickler des ersten Diffusions-Bipolartransistors. Noyce war Kilby sogar einen Schritt voraus und nutzte bereits photolithografische Verfahren und Diffusionsprozesse zur Herstellung seines IC, der aus zwei Bipolartransistoren bestand, welche auf einem Germanium-Substrat befestigt und durch⁠ Golddrähte verbunden waren.

Aber Kilby meldete als Erster ein Patent an. Es folgten lange patentrechtliche Streitigkeiten zwischen den Unternehmen, aber letztlich gingen Kilby und Noyce gleichberechtigt als Erfinder des IC in die Geschichte ein. Kilby erhielt im Jahr 2000 dafür zusammen mit Herbert Kroemer und Zhores I. Alferov den Nobelpreis für Physik, Noyce blieb diese Ehre verwehrt, da er bereits 1990 verstorben war. Ihm zu Ehren vergibt der technische Berufsverband Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) die Robert N. Noyce Medal für herausragende Beiträge zur Mikroelektronik.

IC als Basis der Digitalisierung

Der integrierte Schaltkreis ist bis heute das Basiselement der Digitaltechnik, sei es in 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.

Doch als die beiden Erfinder ihren Schaltkreis präsentierten, sollte sich lange nichts tun – erst die Entwicklung des Taschenrechners gab dem IC den richtigen Schwung.

Weitere Erfindungen von Kilby

1970 ließ sich Jack Kilby beurlauben, um als freier Erfinder zu arbeiten. So meldete er im Laufe seiner langen Erfinderlaufbahn noch Dutzende von Patenten an, viele davon verbesserten die Einsatzmöglichkeiten von Integrierten Schaltkreisen. Doch es finden sich auch sich andere Entwicklungen darunter:

  • 1958 meldete er einen voluminösen Anrufbeantworter zum Patent an, das „Telephone answering device“. Technisch war es den meisten seinerzeit verfügbaren Geräten aber wohl deutlich voraus.
  • Auch aus Kilbys Feder stammt sein Thermodrucker aus dem Jahr 1965, der bis heute viel in Gebrauch ist.
  • Kilby entwickelte auch eine Art Lern-Computer, den er 1966 zum Patent anmeldete. Auszug aus der Patentschrift: „Ein wichtiges Ziel dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Unterrichten von Mathematik und dergleichen bereitzustellen, die relativ kostengünstig in der Herstellung und Verwendung ist. Ein weiteres Ziel ist es, eine Lehrmaschine bereitzustellen, die es dem Schüler erlaubt, in seinem eigenen gewählten Tempo fortzufahren.“
  • Nicht zu vergessen – der Taschenrechner: „Die Erfindung betrifft einen elektronischen Rechner mit einer Tastatur zum Eingeben der zu verarbeitenden Ziffern und der Operationsbefehle, mit einer Schaltung zur Verarbeitung der Ziffern entsprechend den eingegebenen Befehlen sowie zur Erzeugung von Steuersignalen und mit einer vorzugsweise als Drucker ausgebildeten Ausgabevorrichtung zum Eingeben der Ein- und Ausgabewerte, gekennzeichnet durch einen Tastatur-Verschlüssler“, angemeldet 1968. Erst damit sollte der Siegeszug des Integrierten Schaltkreises beginnen.
  • Auch die Energiewende beschäftigte Kilby schon – „Die Notwendigkeit, fossile Brennstoffe als Energiequelle zu ersetzen, ist bekannt“, schrieb er bereits 1976 in seiner Patentanmeldung „Energiewandler“ (DE2633878A1): „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.“

Von 1978 bis 1984 arbeitete Kilby als Professor für Elektrotechnik an der Texas A&M University. In den 1980er Jahren zog Kilby sich offiziell von Texas Instruments zurück, war dem Unternehmen aber weiter eng verbunden. Jack Kilby starb am 20. Juni 2005 in Dallas.

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Quellen:

www.dpma.de

www.ti.com

www.nobelprize.org

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