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John Bardeen (1908 - 1991), USA

Nobelpreise für Physik 1956 und 1972

Porträtbild Bardeen
Bild: John Bardeen [1]

für die Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Halbleiter und die Entdeckung des Transistoreffekts (gemeinsam mit William B. Shockley und Walter H. Brattain, 1956)

für die gemeinsam entwickelte Theorie der Supraleitfähigkeit, die sogenannte BCS-Theorie (gemeinsam mit Leon N. Cooper und John R. Schrieffer, 1972)

John Bardeen ist bisher die einzige Person, die zweifach mit dem Nobelpreis für Physik geehrt wurde. Neben seiner Tätigkeit als Professor an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, USA (1951-1975), zeichnet sich Bardeens beruflicher Werdegang ebenso durch verschiedene Forschungsarbeiten für kommerzielle Unternehmen aus. So stieß er 1945 zu einer Arbeitsgruppe bei den Bell Telephone Laboratories in New Jersey, die mit der Entwicklung eines Festkörper-Verstärkers als Alternative zu den existierenden Vakuumröhren betraut war. Nach anfänglichen Fehlschlägen gelang Bardeen 1947 zusammen mit seinen Kollegen Shockley und Brattain die Herstellung eines Transistorverstärkers, der auf einem Germaniumkristall basierte. Die Erfindung des Transistors revolutionierte die elektronische Industrie, indem sie die Entwicklung kompakter elektronischer Geräte erlaubte und somit den Eintritt in das Informationszeitalter erst ermöglichte.[2]

Elektrolytischer Transistor

Einen Transistor, bei welchem das Medium, in dem ein kontrollierter Stromfluss stattfindet, ein Elektrolyt anstelle eines Halbleiters ist, meldete Bardeen 1953 zum Patent an. Die Figur 1 (links) aus pdf- Datei US 3 051 876 A zeigt eine Anordnung mit drei Elektroden 21, 22 und 23 innerhalb eines Behälters 20. Darin befindet sich ein Elektrolyt 27, dessen Ionen in der Lage sind, einen Ladungsaustausch mit einer oder mehrerer der Elektroden zu vollziehen. Die Elektrode 21 wird durch eine positive Grundspannung als Anode betrieben, während die Elektrode 23 als Kathode dient (vgl. Fig. 1, rechts), was für sich allein einen Stromfluss durch den Elektrolyten hin zur Elektrode 23 hervorruft.

Patentzeichnung TransistorBild vergrößert anzeigenFigur 1: Elektrolytischer Transistor (aus US 3 051 876 A )

Durch Platzierung einer weiteren Elektrode 22 nahe genug an der Elektrode 21 kann jedoch bewirkt werden, dass fast der gesamte Strom zur Elektrode 22 fließt, während die Stromflussrate weiterhin durch das Potential VE zwischen den Elektroden 21 und 23 bestimmt wird. Die Elektroden fungieren also in Analogie zur Betriebsweise eines Halbleitertransistors als Emitter 21, Kollektor 22 und Basis 23. Da die Mobilität der Ionen im Elektrolyten relativ gering ist, spricht die Vorrichtung nicht auf Stromfrequenzen wesentlich über 1 Hz an. Aus diesem Grunde eignet sich der elektrolytische Transistor beispielsweise als Konstant-Gleichstromquelle für eine veränderliche Last 33.

Xerografisches Material

Ein aus Bardeens Zusammenarbeit mit dem Battelle-Forschungsinstitut resultierendes Patent (pdf- Datei (0,93 MB) DE 1 022 091 B ) betrifft ein xerografisches (elektrofotografisches) Material, wie es beispielsweise in der Drucktechnologie zur Erzeugung eines latenten elektrostatischen Bildes eingesetzt wird. Die Figur 2 zeigt hierzu eine lichtempfindliche Platte 10, die aus einer fotoleitenden Schicht 11 und einem elektrisch leitenden Träger 13 besteht, verbunden über eine halbleitende Zwischenschicht 12.

PatentzeichnungBild vergrößert anzeigenFigur 2: Xerografisches Material (aus DE 1 022 091 B )

Die fotoleitende Schicht 11 ist bei Abwesenheit einer aktivierenden Strahlung ein guter Isolator. Bei Belichtung werden in dieser Schicht Ladungsträger erzeugt, welche im Vorfeld auf die Schichtoberfläche aufgebrachte Oberflächenladungen zum elektrisch leitenden Träger 13 hin entladen. Das latente Bild ist dann in Form von ladungsfreien Zonen entsprechend dem Belichtungsmuster auf der Schicht 11 vorhanden. Die erfindungsgemäß als Grenzschicht zwischen der fotoleitenden Schicht und dem leitenden Träger wirkende Zwischenschicht 12 ist ein Halbleiter vom p-Typ (wenn mit positiver Aufladung der Oberfläche gearbeitet wird), dessen p-Leitfähigkeit ausgeprägter ist als jene der fotoleitenden Schicht. Ohne Bestrahlung begrenzt sie den Elektronenfluss vom leitenden Träger zur Unterseite der fotoelektrischen Schicht und verhindert somit eine unerwünschte Entladung der Platte im Dunkeln. Durch Bestrahlung erzeugte und in die Zwischenschicht 12 strömende "Löcher" (Defektelektronen) sorgen dort jedoch über eine lokale Potentialerhöhung für eine Verstärkung des Elektronenflusses vom Träger 13. Auf diese Weise wird die Entladung der fotoleitenden Schicht 11 unterstützt, wodurch sich kürzere Belichtungszeiten und niedrigere Beleuchtungsstärken realisieren lassen.

In diesem technischen Zusammenhang bleibt zu erwähnen, dass Bardeen ebenfalls als langjähriger Berater für die Xerox Corporation fungierte.

Patentdokumente zu John Bardeen
PublikationsnummerJahrTitel
pdf-Datei US 2 549 845 A   1945  Ship's Magnetic Submarine Detector 
pdf-Datei DE 966 492 B   1948  Elektrisch steuerbares Schaltelement aus Halbleitermaterial 
pdf-Datei US 3 051 876 A   1953  Electrolytic Transistor 
pdf-Datei DE 1 022 091 B   1955  Lichtempfindliches xerographisches Material 

Quellen:

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bardeen.jpg [recherchiert am 28.03.2012]
[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1956/bardeen-bio.html [recherchiert am 28.03.2012]

© 2016 Deutsches Patent- und Markenamt | 29.02.2016