Heinrich Welker

Heinrich Johann Welker (* 9. September 1912 in Ingolstadt, † 25. Dezember 1981 in Erlangen ) war ein bedeutender deutscher Physiker, insbesondere auf dem Gebiet der Halbleitertechnik. Seine bahnbrechendste Entdeckung waren III-V-Verbindungen (aus Elementen der 3. und 5. Hauptgruppe des Periodensystems) und die Voraussage von deren Halbleitereigenschaften. Mit seinem Team bei Siemens untersuchte er alle möglichen Konstellationen, u.a. Gallium-Arsenid (GaAs) - bis heute ein wichtiger Baustein von Hochfrequenz-Bauteilen oder Halbleiterlasern für die Optoelektronik - und wurde so zum Wegbereiter für Mikrowellen-Halbleiterbauelemente sowie LED und Laserdioden.

Es wäre nun aber falsch, Welkers Lebenswerk einzig mit diesen Halbleiter-Arbeiten zu verknüpfen, sein Interesse war wesentlich breiter. Vor allem widmete er sich intensiv den Problemen der Leistungselektronik, der Lichtbogentechnik und der optimalen Energienutzung.

In Erinnerung an sein Wirken stiftete nach seinem Tod die Siemens AG die Heinrich Welker Medal, die mit dem GaAs Symposium Award kombiniert ist.

Leben und Wirken

Herkunft und Ausbildung

Heinrich Welker war einer der beiden Söhne des aus der Herzogenauracher Tuchmachertradition stammenden königlich bayerischen Oberfeldwebels Karl Welker und seiner Ehefrau Berta, geborene Heckl. Beide Jungen besuchten in Ingolstadt das Humanistische Gymnasium. Der jüngere Bruder Karl wechselte zum Studium zur Philosophisch-Theologischen Hochschule Eichstätt und wurde, Beispielen in der Verwandtschaft folgend, katholischer Priester, der vor allem bei der Jugend beliebt war und der mutig gegenüber den Machthabern Standpunkte bezog, aber auch für seine „Firma“ manchmal ein eher unbequemer Mitarbeiter war.

Heinrich liebte es Geige zu spielen und interessierte sich mehr für Dinge, die man experimentell nachweisen kann. Also studierte er 1931-1935 in München Mathematik und Physik. Anschließend wurde er wissenschaftlicher Assistent bei Prof. Arnold Sommerfeld am Institut für Theoretische Physik an der Universität München. 1936 promovierte er mit einer Arbeit über Wellenmechanik. Danach stellte er Untersuchungen mit Supraleitern an und habilitierte bereits 1939 über ein theoretisches Modell der Supraleitung an der Universität München. Trotz dieser ausgezeichneten Anfangsphase seiner akademischen Laufbahn verließ er aus Gründen politischer Überzeugung die Universität.

Weiterer Berufs- und Lebensweg

Während seiner anschließenden Tätigkeit bei der Drahtlos-Telegraphischen und Luftelektrischen Versuchsstation Gräfelfing (DVG) befasste er sich mit Problemen der Ultrakurzwellentechnik. Durch den Verkauf der DVG an das Deutsche Reich 1941 wurde er ins Flugfunk-Forschungsinstitut Oberpfaffenhofen e.V. übernommen.

Im nahegelegenen Starnberg schloss er am 17.7.1941 mit seiner Braut Elfriede die Ehe, aus der 3 Kinder hervorgingen.

Ab 1942-1945 war er bei Klaus Clusius am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität München tätig. Dort gelang ihm der Nachweis der Halbleitereigenschaften von Germanium, dem „Prototyp des Halbleiters“. Er entwickelte eine Gleichrichteranordnung für hochfrequente elektromagnetische Wellen; das Patent daraus wurde bei Siemens bis Kriegsende für die Herstellung von etwa 10 000 Richtleitern aus Reinstgermanium genutzt. 1945 verfasste er theoretische Arbeiten zur kapazitiven (Kondensator-) Steuerung von Elektronenströmen über eine Isolatorschicht in einer Dreielektroden-Halbleiteranordnung und erarbeitete die erste theoretische Beschreibung des Feldeffekttransistors.

1946 befasste er sich zunächst in einem eigenen Ingenieurbüro in Planegg bei München weiter mit Halbleitertechnologie, da erhielt er ein attraktives Angebot der französischen Landesgesellschaft von Westinghouse, in Paris als Laborleiter tätig zu werden. Das nahm er natürlich an und wirkte dort von 1947-1951, wobei er insbesondere mit der Entwicklung von Germanium-Dioden und Transistoren befasst war. Mit dieser Auslandserfahrung kehrte er 1951 nach Deutschland zurück und übernahm bei den Siemens-Schuckertwerken in Erlangen im „Allgemeinen Laboratorium“ (ab 1953 „Forschungslaboratorium“) die Leitung der Abteilung Festkörperphysik. Hier gelang ihm die synthetische Erzeugung von III-V-Verbindungen, die zu breiter Ausnutzung von galvanomagnetischen und optoelektronischen Effekten sowie zu neuen Schaltkreisen der Mikroelektronik führten. Unter seiner Leitung wurden diese neuen Halbleitersubstanzen auf Stöchiometrie und chemische Stabilität sowie auf ihre physikalischen Eigenschaften (Aufbau, Schmelztemperatur, Bandabstand und Beweglichkeit) analysiert. Seinerzeit entdeckte er auch die Sperrschichten in Germanium und deren Deutung.

1954 wurde er zum Honorarprofessor an der Universität München berufen.

1961 übernahm Prof. Welker die Leitung des gesamten Forschungslaboratoriums der Siemens-Schuckertwerke in Erlangen und wurde hier zusammen mit der von ihm aufgebauten Forschungsgruppe zum Wegbereiter für Mikrowellen-Bauelemente sowie Luminiszenz- und Laserdioden auf Basis der Verbindungshalbleiter. Ab 1963 fungierte er als Generalbevollmächtigter der Siemens-Schuckertwerke. Nachdem 1966 die Siemens & Halske AG, Siemens-Schuckertwerke AG und Siemens-Reiniger-Werke AG zur Siemens AG fusionierten, wurden 1969 auch die Forschungslaboratorien in München und Erlangen zusammengefasst und Prof. Welker unterstellt. Ab 1973 leitete er die Zentrale Forschung und Entwicklung und ab 1974 als Generaldirektor den Zentralbereich Technik, Zentrale Forschung und Entwicklung der Siemens AG.

Auch nach seiner Pensionierung 1977 war Prof. Welker noch weiter in Funktionen und wissenschaftlich tätig – sein Tod am Weihnachtstag 1981 riss den 69-jährigen aus seinen Gedankengängen über das noch offene Problem der Supraleitung in A-15-Phasen.

Funktionen und Ehrungen

• Mitglied der Europäischen Physikalischen Gesellschaft
• Mitglied der Kuratorien der Max-Plank-Institute

für Kernphysik in Heidelberg

für Metallforschung in Stuttgart

für Chemie in Mainz

• Mitglied im Herausgeber-Kollegium der Zeitschrift „Wissenschaft und Technik“
• Maßgebliche Initiierung der „Physikalischen Blätter“ als einheitliches Sprachrohr der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG)

• 1962 Dr. Ing. E.h. der Technischen Hochschule Karlsruhe
• 1970 VDE-Ehrenring (Verband Deutscher Elektrotechniker)
• 1971 Ordentliches Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften
• 1973 International Prize for New Materials, erstmals verliehen von der American Physical Society für seine Entdeckung der III-V-Verbindungen
• 1976 Erstmals verleiht das International Symposium on Gallium Arsenide and Related Compounds Heinrich Welker zu Ehren die GaAs Symposium Award (danach jährlich) - Berufung in das Verleihungskomitee für die Folgejahre
• Nach seinem Übertritt in den Ruhestand 1977 wurde er 1978-79 zum Präsidenten der Deutschen Physikalischen Gesellschaft berufen. Hier widmete er sich vor allem der Verbesserung der Zusammenarbeit zwischen reiner und angewandter Physik und hat seinem Erfahrungsschatz entsprechend die Diskussion auf dem Gebiet der gesamten Energieproblematik aktiv in Gang gebracht. Seine internationale Anerkennung hat der DPG geholfen, ihre Verbindungen – vor allem zu Wissenschaftlern in den USA – zu vertiefen. Nach Entlastung vom Präsidentenamt wandte er sich erneut wissenschaftlichen Fragestellungen zu und nahm das offene Problem der Supraleitung in A-15-Phasen wieder auf.
• 1978 Heinrich-Hertz-Preis, verliehen von der Universität Karlsruhe und der Badenwerk-Stiftung
• 1978 Aachener und Münchener Preis für Technik und angewandte Naturwissenschaften
• 1979 Ehrendoktor der Universität Genf
• 1982 Nach dem Tode von Heinrich Welker stiftete die Siemens AG die Heinrich Welker Medal, eine Goldmedaille, die mit dem GaAs Symposium Award kombiniert ist und nachträglich auch an dessen frühere Preisträger vergeben wurde.
• Posthum wurde eine Straße im Forschungsgelände von Siemens nach ihm „Welkerweg“ benannt und ihm damit ein Ehrenplatz in ihrer „Walhalla“ im Kreise von Größen wie Einstein, Faraday, Fermi, Heisenberg zugewiesen.
• Zum 1. Jahrestag seines Todes veranstalteten die Bayerische Akademie der Wissenschaften, die Ludwig-Maximilians-Universität München, die Deutsche Physikalische Gesellschaft und die Firma Siemens AG ihm zu Ehren ein Gedenkkolloquium, bei dem Prof. Dr. Otfried Madelung von der Universität Marburg über „Die III-V-Verbindungen und ihre Bedeutung für die Halbleiterphysik“ referierte.

Über III-V-Verbindungen

Bereits in den 1940er Jahren hatte Heinrich Welker Vorstellungen entwickelt, dass bei Verbindungen von Elementen aus der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente neue Materialien entstehen müssten, die in ihren Eigenschaften den Elementen der IV. Gruppe – zu denen Silizium und Germanium zählen – ähneln, die sich aber für Halbleiterzwecke noch besser eigneten als die genannten IV-Elemente. Durch die Verbindung Indium - Antimonid konnte er 1951 zeigen, dass hier die Elektronenbeweglichkeit zehnmal größer ist als im Germanium. Da es sich bei der technischen Anwendung von Halbleitern vor allem auf diese Elektronenbeweglichkeit ankommt, war Prof. Welker damit der entscheidende Durchbruch gelungen. In der Folgezeit wurden in Siemens-Laboratorien alle 16 möglichen Verbindungen erzeugt und auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Dabei erwiesen sich zwar nur einige als technisch interessant, diese wenigen (z.B. Gallium-Arsenid GaAs) aber erlangten im Laufe folgenden Jahrzehnte umso größere Bedeutung. Zwar ist das reichlich vorhandene Silizium, das Ende der 50er Jahre seinen Siegeszug antrat, auch heute noch das wichtigste Material. Doch gibt es im Halbleiterbereich auch Dinge, die Silizium nicht kann. Physikalisch so interessante Eigenschaften wie der Gunn-Effekt sind nur bei der speziellen Bandstruktur der III-V-Halbleiter nachgewiesen worden. Deswegen sind die III-V-Verbindungen inzwischen unersetzlich geworden. Man braucht sie für Leuchtdioden und Displays, für magnetisch steuerbare Halbleiter-Bauelemente, für Foto- und Solarzellen für die optische Nachrichtenübertragung (Diodenlaser) und nicht zuletzt in der Höchstfrequenztechnik.

Ausgewählte Veröffentlichungen und Patente

1. H. Welker: Allgemeine Koordinaten und Bedingungsgleichungen in der Wellenmechanik. Math. Annalen 113 (1936) S. 304-319
2. H. Welker: Über ein elektronentheoretisches Modell des Supraleiters. Z. f. techn. Phys. 19 (1938) S. 606-611
3. H. Welker: Zur Elektronentheorie der Supraleitung. Phys. Z. 44 (1943) S. 134-138
4. H. Welker: Supraleitung und magnetische Austauschwechselwirkung. Z. f. Phys. 114 (1939) S. 525-551
5. H. Welker: Über den Spitzendetektor und seine Anwendung zum Nachweis von Zentimeterwellen. Jahrbuch 1941 der deutschen Luftfahrtforschung S. III/63-68
6. K. Clusius, E. Holz und H. Welker: Elektrische Gleichrichteranordnung mit Germanium als Halbleiter und Verfahren zur Herstellung von Germanium für eine solche Gleichrichteranordnung. DBP 966 387 v. 3. Oktober 1942
7. H. Welker: Halbleiteranordnung zur kapazitiven Steuerung von Strömen in einem Halbleiterkristall. DBP 980 084 v. 7. April 1945
8. H. Welker: Elektrisches Halbleitergerät. DBP 970 420 v. 11. März 1951
9. H. Welker: Über neue halbleitende Verbindungen. Z. f. Naturforschung 7a (1952) S. 744-749 und 8a (1953) S. 248-251
10. H. Welker: Semiconducting Intermetallic Compounds. Physica 20 (1954) S. 893-909
11. H. Welker: Zur Theorie der galvanomagnetischen Effekte bei gemischter Leitung. Z. f. Naturforschung 6a (1951) S. 184-191
12. E. Weißhaar und H. Welker: Magnetische Sperrschichten in Germanium. Z. f. Naturforschung 8a (1953) S. 681-686
13. H. Welker: Zielsetzungen und Schwerpunkte der Arbeit des Forschungslaboratoriums der Siemens-Schuckertwerke. Siemens-Z. 39 (1965) S. 421-429
14. H. Welker: Aspekte der industriellen Forschung. Siemens-Z. 48 (1974) S. 970-973
15. H. Welker: Neue Dimensionen der Physik durch Kommunikation und Informatik. Eröffnungsansprache des Präsidenten der DPG auf der 42. Physikertagung 1978 in Berlin. Phys. Bl. 34. (1978) S. 558-565

Quellen

• Herbert Goetzeler: Heinrich Welker. Entdecker der halbleitenden III-V-Verbindungen, in: Pioniere der Wissenschaft bei Siemens, hrsg. von Ernst Feldtkeller und Herbert Goetzeler, München 1994, S. 176-181
• Walter Heywang: Nachruf auf Heinrich Welker, in Phys. Bl. 38 (1982) Nr.3
• Siemens Pl 0283.066: Heinrich-Welker-Medaille gestiftet, in Phys. Bl. 39 (1983) Nr. 4
• Erlanger Nachrichten - Stadt Erlangen 6.6.1975: Bahnbrechend im Bereich der Halbleiter
• Erlanger Nachrichten - Stadt Erlangen 13.2. (evtl. 1982): Basis für Halbleitertechnik geschaffen
• Siemens-Personalkartei
• Melderegister der Stadt Erlangen (Archiv-Auskunft 9.8.2007)
• Matthäus Welker (Cousin, † 1987): Nachweis der arischen Abstammung (19.8.1937) und Erläuterungen dazu (11/1972),

verifiziert über Bürgeramt Ingolstadt (2007)

Weblinks

• Kurzbiografie
• Heinrich-Welker-Preis
• Siemens-Wissenschaftler
• Silizium-Pioniere