Inhaltsverzeichnis
- Was ist ein Halbleiter? Definition
- Wie funktioniert ein Halbleiter?
- Beispiele: Wo werden Halbleiter verwendet?
- Welche Vorteile haben Halbleiter?
- Wie werden Halbleiter hergestellt?
Was ist ein Halbleiter? Definition
Ein Halbleiter ist ein Material mit einem elektrischen Leitvermögen, das zwischen einem Leiter und einem Isolator liegt. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch den Anlegen einer Spannung gesteuert werden. Diese Eigenschaft macht Halbleiter zu wichtigen Komponenten in der Elektronik, wie z.B. in Computern, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten.
Ein Halbleiter kann sowohl Eigenschaften als Isolator, als auch Eigenschaften als Leiter besitzen. Silizium ist der wohl bekannteste Halbleiter. Bei geringen Temperaturen sind Halbleiter nicht-leitend. Ihre Leitfähigkeit nimmt bei steigender Temperatur zu, weshalb sie zu den sogenannten Heißleitern zählen.
Wie funktioniert ein Halbleiter?
Halbleiter unterscheiden sich von Isolatoren und Leitern hinsichtlich ihrer Bandlücke. Die Bandlücke beschreibt den energetischen Abstand zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband von Atomen. Je größer dieser Abstand ist, desto schlechter können Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband übergehen. Dies muss geschehen, damit ein Strom aus Elektronen im Leitungsband fließen kann. Bei Halbleitern ist es möglich, die Elektronen aus dem Valenzband durch die Zufuhr von thermischer oder photonischer Energie so anzuregen, dass sie die Bandlücke überschreiten und sich im Leitungsband bewegen (Stromfluss).
Durch sogenanntes Dotieren können die Eigenschaften des Halbleiters modifiziert werden. Hierbei werden dem Material Fremdatome zugefügt, die mehr (n-Dotierung) oder weniger (p-Dotierung) Außenelektronen besitzen. Dadurch entstehen Löcher (p-Halbleiter) oder es bleiben Elektronen übrig, die sich als freie Ladungsträger bewegen können (n-Halbleiter).
Beispiele: Wo werden Halbleiter verwendet?
Halbleiter werden für verschiedene Halbleiterbauelemente verwendet. So wird ein Transistor oder Dioden beispielsweise mithilfe von zwei verschiedenen Halbleitermaterialien gebaut. Somit sind Halbleiter wie Silizium essenziell für heutige Technologien.
Mögliche Anwendungsgebiete für Halbleiter sind z.B.:
- Computer- und Kommunikationstechnik: Halbleiter werden in Computern, Smartphones, Tablets und anderen elektronischen Geräten eingesetzt, um die Schaltung und Bauteile wie Mikroprozessoren, Speicher und Kommunikationskomponenten zu realisieren.
- Solartechnik: In Solarzellen werden Halbleiter verwendet, um Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln.
- Automobiltechnik: Halbleiter werden in der Automobilindustrie genutzt, um elektronische Steuerungen und Regelungen für den Motor, das Fahrwerk und andere Systeme zu realisieren.
Welche Vorteile haben Halbleiter?
Halbleiter haben den Vorteil, dass sie nur dann leitend sind, wenn dies gewünscht ist. Das bedeutet, dass sich durch den aktuellen Zustand des Halbleiters (leitend oder nicht-leitend) eine binäre Datenübertragung – so wie sie von Computern verarbeitet wird – realisieren lässt und dadurch komplexe Schaltkreise entwickelt werden können.
Wie werden Halbleiter hergestellt?
Halbleiter werden hauptsächlich aus Silizium gewonnen, das aus Quarzsand extrahiert wird. Der Prozess beginnt mit der Reinigung und Verfeinerung des Siliziums, um Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wird das gereinigte Silizium in einem Hochtemperaturofen geschmolzen und langsam abgekühlt, um Einkristalle zu bilden. Diese Einkristalle werden dann in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten.
Die Wafer werden anschließend mit verschiedenen Chemikalien und Hitzebehandlungen bearbeitet, um die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters zu modifizieren. Schließlich werden die Halbleiter-Wafer in integrierte Schaltungen (IC) umgewandelt, indem Schaltungen auf die Oberfläche der Wafer aufgebracht werden.
Investition in neue Halbleiter-Fabriken in Deutschland
In Deutschland sind mehrere neue Halbleiterfabriken geplant. Intel investiert 17 Milliarden Euro in zwei Werke im Saarland in Magdeburg, während der taiwanesische Chiphersteller TSMC gemeinsam mit Bosch, Infineon und NXP eine Fabrik in Dresden plant. Diese Investitionen werden von der Bundesregierung mit Milliardensummen unterstützt, um die Halbleiter-Versorgung im Land zu stärken.
