Halbleiter - die DNA der Digitalisierung
Halbleiter sind die DNA der Digitalisierung. Das Leben im 21. Jahrhundert wäre nicht dasselbe ohne die Aufgaben, die sie in der Elektrotechnik erfüllen. Auch die Wirtschaft wäre ohne die Halbleiterindustrie um einen gewinnkräftigen Baustein ärmer.
Halbleiterbauelemente sind wichtige Bestandteile der Elektrotechnik. Ihre Expertise auf dem Gebiet der Steuerung von Signalen und Strömen ist nur schwer zu übertreffen. Auch ihre Wirkung als Verstärker ist bemerkenswert. Zu den Halbleiterbauelementen gehören beispielsweise Transistoren oder Dioden. Sie gehören zu der Kategorie der aktiven Bauelemente und zu den integrierten Schaltkreisen.
- Was ist ein Halbleiter?
- Aus welchen Halbleitermaterialien werden aktive und passive Bauelemente hergestellt?
- Wie funktionieren Halbleiter in der Elektrotechnik?
- Wieso sind Halbleiterbauelemente elementar für die Elektrotechnik?
- Warum ist Silizium wichtig für Halbleiter?
- Wie wird Halbleiter-Silizium für mikroelektronische Anwendungen hergestellt?
- Was sind Aktiveund Passive Bauteile?
Was ist ein Halbleiter?
Per Definition ist ein Halbleiter ein Material mit elektrischem Leitvermögen, das zwischen einem Leiter und einem Isolator liegt. Die elektrische Leitfähigkeit kann durch das Anlegen einer Spannung gesteuert werden.
Transistoren, Dioden, Spannungsregler und Gleichrichter sind Halbleiter, die zu den aktiven Halbleiterbauelementen zählen. Halbleiter sind also ein grundlegender Bestandteil der meisten aktiven Halbleiterbauelemente. Hierzu gehören vordergründig ICs, die aus der modernen Elektrotechnik nicht mehr wegzudenken sind. Ihre Einsatzgebiete sind Bereiche, die zu unserem Alltag gehören und den Menschen bestimmen, wie beispielsweise Smartphones, Autos, Computer oder Solarzellen. Diese Elemente, die der Digitalisierung angepasst wurden und werden, können ohne Halbleiter nicht realisiert werden.
Computerchips, die auch immer ICs sind, werden oft mit Halbleitern gleichgesetzt. Der synonyme Gebrauch ist allerdings nicht korrekt, da sie nur ein Baustein von ICs oder STK-ICs sind.
Aus welchen Halbleitermaterialien werden aktive und passive Bauelemente hergestellt?
Silizium, Schwefel, Selen, Tellur, Germanium, Arsen, Bor, Antimon und Kohlenstoff gehören zu den elementaren Halbleitern. Es gibt auch Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid, Indiumantimonid sowie die Oxide der meisten Metalle, die als Halbleitermaterialien eingesetzt werden. Das bekannteste Halbleitermaterial ist Silizium.
Wie funktionieren Halbleiter in der Elektrotechnik?
Es gibt drei Arten von Halbleitern: organische Halbleiter, amorphe Halbleiter und kristalline Halbleiter. Für Halbleiterbauteile, die in der Elektrotechnik genutzt werden, handelt es sich meistens um kristalline Halbleiter. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Vorgang der Dotierung.
- Kristalline Halbleiter
- Dotierung
Kristalline Halbleiter
Die Elemente, die für kristalline Halbleiter genutzt werden, sind meistens Germanium oder Silizium. In einem Silizium- oder Germanium-Kristall bilden vier Valenzelektronen ( die Elektronen auf der Außenhülle eines Elektrons ) ein Paar mit denen der Nachbaratome. Sie werden als Bindungselektronen bezeichnet.
Die Verbindung ist in diesem Zustand noch nicht leitfähig. Werden die so entstandenen Gitter der Kristalle einer Temperaturerhöhung ausgesetzt, treten zwei Effekte auf: Die Gitteratome des Halbleiters beginnen stärker zu schwingen und setzen so fließenden Elektronen durch ihre Eigenbewegung einen stärkeren Widerstand entgegen. Die Elektronen werden vom Valenz- ins Leiterband angehoben, wodurch das Halbleitermaterial leitfähig wird.
Dotierung
Auf einem Halbleiter gibt es positive Ladungsträger ( p-Leitung ) und negative Ladungsträger ( n-Leitung ). Unter dem Vorgang der Dotierung versteht man die kontrollierte Zugabe von Fremdatomen.
Nimmt ein Element aus der chemischen Hauptgruppe V ein Atom im Halbleitermaterial ein, entsteht eine n-dotierte Leitung. Die Atome aus dieser Hauptgruppe nennt man Donatoren.
Werden Elemente aus der chemischen Hauptgruppe III verwendet, spricht man von sogenannten Akzeptoren, die eine p-Leitung entstehen lassen.
Für welche Anwendungen werden Halbleiter wie aktive Bauelemente genutzt?
| aktives Bauelement | Anwendung |
| Dioden |
Gleichrichter, Schalter, Begrenzer |
| Transistoren |
steuern oder verstärken Ströme oder Spannungen |
| Gleichrichter | Umwandlung von Gleichspannungen zu Wechselspannungen |
| LED |
Computerbildschirme, Straßenbeleuchtungen, Informationstafeln, Ampelanlagen |
| ICs |
Mikroprozessoren, Schalter, Computerspeicher, Videoprozessoren, Verstärker |
| Spannungsregler |
Stabilisieren von Betriebsspannungen in elektrischen Schaltkreisen |
| Optokoppler |
Trennung von Spannung und digitalen Signalen, Übertragung analoger Signale |
Wieso sind Halbleiterbauelemente elementar für die Elektrotechnik?
Das Spektrum, in dem Halbleiter in der Elektrotechnik verwendet werden, bezeichnet man als Halbleiterelektronik. Vor allem ICs wie Mikroprozessoren, Mikrocontroller sowie diverse Bauelemente der Leistungselektronik gehören hierzu. Silizium ist meistens das Basismaterial von hochreinen, monokristallinen Silizium-Wafern, auf die aktive Bauteile wie beispielsweise Transistoren, Dioden oder Spannungsregler aufgebracht werden können.
Warum ist Silizium wichtig für Halbleiter?
Silizium (SI) ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdhülle. Es wird aus Kieselalgen, Schwämmchen, Strahlentierchen, Bambus oder Schachtelhalmen gewonnen. Das chemische Element ist aufgrund seiner Leitfähigkeit, die zwischen Metallen und Nichtmetallen liegt, in ICs, STK-ICs, Optokopplern, Dioden, Spannungsreglern, Transistoren oder LEDs als wichtigste Basis enthalten.
Die Halbleiterindustrie machte im Jahr 2022 einen weltweiten Umsatz von 599,6 Milliarden US-Dollar. Durch die globale wirtschaftliche Situation wird ein Rückgang der Umsätze 2023 für die Halbleiterindustrie auf 523 Milliarden US Dollar gerechnet.
Wie wird Halbleiter-Silizium für mikroelektronische Anwendungen hergestellt?
Halbleiter-Silizium für mikroelektronische Anwendungen herzustellen ist aufwändig und nicht unbedingt umweltfreundlich. Aktuelle Forschungen beschäftigen sich mit einer Alternative zu Silizium. Germanium-Zinn-Transistoren sollen die gestiegenen Anforderungen an Halbleiter, beispielsweise in der Anwendung bei Quantencomputern, erfüllen können. Halbleiter-Silizium benötigt einen Reinheitsgrad von 99,99999 Sieg % ( electronic grade ).
Schauen wir uns den Prozess zur Herstellung von Halbleiter Silizium für aktive Bauteile wie beispielsweise ICs näher an.
- Vakuumspulen werden um die vorgereinigten Siliziumstäbe gelegt
- Schmelzen des Materials durch hochfrequenten Wechselstrom, absinken von Unreinheiten. Der Vorgang wird solange wiederholt, bis der gewünschte Reinheitsgrad erreicht ist
- Durch das Einschmelzen des polykristallinen Siliziums in einem Quarztiegel unter Schutzatmosphäre
- Eventuell Zugabe von Dotierstoffen wie Bor oder Phosphor
- Anbringen eines rotierenden Einkristalls (Impfkristall), der die Schmelze berührt, wodurch sich das Silizium am Kristall abscheidet
- Der Kristall wird mit einer Geschwindigkeit zwischen 2 und 25 cm/h nach oben gezogen
- Aus den bis zu 2 Metern langen Stäben werden dünne Scheiben gesägt, die sogenannten Wafer
Auf dieser Grundlage für Mikrochips wie ICs oder STK-ICs können nun elektronische Bauteile wie Transistoren, Dioden und andere Elemente aufgebracht werden. Dieser Prozess beansprucht ca. 1.500 weitere Produktionsschritte und kann bis zu drei Monate dauern.
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