Was sind Halbleiter: Eine Einführung

Der Begriff Halbleiter wurde 1782 von Alessandro Volta eingeführt, um eine Klasse von Materialien zu beschreiben, deren Leit-Eigenschaften zwischen denen von Leitern und Isolatoren liegen. Im Laufe der Zeit haben Halbleiter eine grundlegende technologische Bedeutung erlangt, und ihre Verwendung in Transistoren oder Solarzellen hat die Elektronikindustrie in den vergangenen Jahren revolutioniert. Dabei werden vorzugsweise die Halbmetalle Silizium und Germanium oder die Verbindung Galliumarsenid eingesetzt.

Aus Erfahrung wissen wir, dass alle Metalle sowohl Wärme als auch Elektrizität gut leiten, während andere Materialien wie Holz oder Keramik entgegengesetzte Eigenschaften aufweisen. Die Gründe für diese Unterschiede im Materialverhalten liegen in der unterschiedlichen atomaren Struktur der verschiedenen Stoffe.

In einem metallischen, kristallinen Festkörper sind die Atome dicht aneinander gepackt. Dies hat zur Folge, dass die Energieniveaus der einzelnen Magnesium-Atome durch die Anwesenheit benachbarter Atome gestört werden, da sich die Orbitale überlappen. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Anzahl der Atome selbst in äußerst wenig Magnesium enorm ist (1020 Atome) und die Anzahl der Molekülorbitale dementsprechend sehr hoch sein wird. Diese energetisch eng beieinander liegenden Molekülorbitale können als Zustandskontinuum, d. h. als Band, beschrieben werden.

In der Halbleitertechnik und der Festkörperphysik beziehen sich die Begriffe Valenzband und Leitungsband auf zwei verschiedene Energiebereiche in einem Halbleitermaterial, in denen Elektronen existieren können.

Valenzband: Dies ist das höchste Energieband im Halbleiter, das bei Null Temperatur vollständig mit Elektronen gefüllt ist. Die Elektronen in diesem Band sind normalerweise stark an die Atome gebunden und können sich nicht frei bewegen. Daher tragen sie nicht zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Wenn jedoch Energie in Form von Wärme oder Licht hinzugefügt wird, können einige Elektronen das Valenzband verlassen und in das Leitungsband aufsteigen.

Leitungsband: Dies ist das nächsthöhere Energieband nach dem Valenzband. Bei Null Temperatur ist es normalerweise leer, aber wenn Elektronen genug Energie absorbieren, können sie vom Valenzband in das Leitungsband aufsteigen. Elektronen in diesem Band sind nicht mehr an ein spezifisches Atom gebunden und können sich frei durch das Material bewegen. Diese Bewegung der Elektronen ist es, die zur elektrischen Leitfähigkeit beiträgt.

Bandlücke: Der Energieunterschied zwischen dem höchsten besetzten Energieniveau im Valenzband und dem niedrigsten unbesetzten Energieniveau im Leitungsband wird als Bandlücke bezeichnet. Die Größe der Bandlücke bestimmt, ob ein Material ein Leiter, Halbleiter oder Isolator ist. In einem Halbleiter ist die Bandlücke klein genug, dass thermische Energie ausreicht, um Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen.

Halbleiter verhalten sich bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich. Bei null Grad reagieren sie wie Isolatoren, aber bei normalen Temperaturen beginnen sie Strom zu leiten. Der Energieunterschied zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband ist im Vergleich zu Isolatoren viel geringer. Durch die Wärmeenergie werden die Elektronen aktiviert, die dann vom Valenzband in das Leitungsband übergehen können. In diesem Stadium verhält sich der Halbleiter wie ein gewöhnlicher Leiter.

Was die Leitfähigkeit betrifft, so gilt das Verhalten von Halbleitern als das spiegelbildliche Gegenteil des Verhaltens von Metallen. Die Fähigkeit eines Metalls, Strom zu leiten, nimmt mit steigender Temperatur ab, da die durch die hohe Temperatur angeregten Schwingungen der Atome, aus denen das Kristallgitter besteht, den Elektronenfluss im Leitungsband stören.

Bei Halbleitern sind das Energieniveau der Elektronen im Valenzband und die Leitfähigkeit des Materials gleich null: Bei sehr niedrigen Temperaturen verhalten sich Halbleiter wie Isolatoren. Durch Zufuhr von Wärmeenergie oder einer anderen Art von Energie ist es jedoch möglich, einige kovalente Bindungen aufzubrechen; in diesem Fall gibt es freie Elektronen mit Energieniveaus im Leitungsband und eine gewisse Leitfähigkeit. Hier sehen wir das Vorhandensein eines freien Elektrons und eine unvollständige kovalente Bindung. Die Bedeutung der Lücke liegt darin, dass das Vorhandensein einer unvollständigen Bindung die Übertragung eines Elektrons von einem anderen Atom auf die Lücke selbst wahrscheinlich macht. Dieser Vorgang kann in einer Kette wiederholt werden, da das sich bewegende Elektron seinerseits eine Lücke hinterlässt.

Der Elektronenfluss verläuft also in entgegengesetzter Richtung zu den Lücken. In einem reinen Halbleiter ist die Anzahl der Lücken gleich der Anzahl der freien Elektronen und nimmt mit steigender Temperatur zu. Bei Raumtemperatur besteht eine schwache Leitfähigkeit aufgrund von Lücken und freien Elektronen, die durch den thermischen Effekt entstehen. Dies wird als intrinsische Leitfähigkeit bezeichnet.

Seltsamerweise werden Halbleiter leitfähiger, wenn sie mit geringen Mengen an Verunreinigungen bombardiert werden. Dieser Vorgang wird als „Dotierung des Halbleiters“ bezeichnet. Auf diese Weise wird die Leitfähigkeit deutlich erhöht (man spricht in diesem Fall von extrinsischer Leitfähigkeit), um auch beim Anlegen sehr schwacher elektrischer Felder nennenswerte Ströme zu erhalten. Bei diesem Verfahren werden Atome von drei- oder fünfwertigen Materialien in die kristalline Struktur von Silizium oder Germanium eingebracht, um einen Überschuss an Elektronen oder Lücken zu erzeugen.

Fünfwertige Stoffe sind Phosphor, Arsen und Antimon; sie werden im Verhältnis 1:10 7 zugesetzt.

Fünfwertige Stoffe werden auch als Donatoren bezeichnet, da sie jeweils fünf Valenzelektronen besitzen und somit ein Elektron frei von kovalenten Bindungen und zur Bewegung im Kristall verfügbar ist. Dies führt zu einem n-Typ (negativen) Halbleiter. Darin ist die Leitfähigkeit vorwiegend auf das Vorhandensein freier Elektronen zurückzuführen.

Wie zuvor bereits erwähnt kommt in Halbleitern vor allem Silizium zum Einsatz. Aber auch andere Halbleitermaterialien werden eingesetzt und haben bei bestimmten Anwendungsfällen Vorteile.

Silizium (Si)

Das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist Silizium. Es ist in großen Mengen vorhanden und relativ günstig zu verarbeiten. Darüber hinaus hat es gute elektrische Eigenschaften, die es zu einer idealen Wahl für die meisten Elektronikanwendungen machen.

Germanium (Ge)

Wird oft in spezialisierten elektronischen Geräten verwendet. Es hat eine bessere intrinsische Leitfähigkeit als Silizium, funktioniert aber weniger gut bei hohen Temperaturen. Außerdem ist es teurer und seltener als Silizium.

Galliumarsenid (GaAs)

Wird oft in Hochfrequenzanwendungen wie Radar und Mobilfunk eingesetzt. Es hat eine höhere Elektronenbeweglichkeit als Silizium oder Germanium, was bedeutet, dass es schneller schalten kann. Es ist jedoch teurer zu verarbeiten und weniger mechanisch robust.

Indiumphosphid (InP)

Wird in optoelektronischen Geräten und Hochgeschwindigkeits-Elektronik eingesetzt. Es ist teurer und schwieriger zu verarbeiten als andere Halbleitermaterialien, aber es hat ausgezeichnete optische und elektronische Eigenschaften.

Siliziumkarbid (SiC)

Wird oft in Hochtemperatur- und Leistungselektronik eingesetzt. Es ist thermisch stabiler und kann höhere Spannungen aushalten als die meisten anderen Halbleitermaterialien, ist aber teurer und schwieriger zu verarbeiten.

Galliumnitrid (GaN)

Wird in Leistungselektronik und Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. Es hat ausgezeichnete elektronische und thermische Eigenschaften und kann hohe Spannungen und Temperaturen aushalten. Es ist jedoch teurer und technologisch anspruchsvoller zu verarbeiten.

Wie bereits erwähnt, ist das gebräuchlichste Halbleitermaterial Silizium, aus dem alle elektronischen Bauteile wie Dioden oder Transistoren hergestellt werden, die zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen, d. h. Chips und Mikrochips, verwendet werden. Halbleiter werden zur Herstellung aller Arten von Chips verwendet und finden sich in Computern (z. B. Prozessoren, Grafikkarten usw.) und allen Geräten, die eine gewisse Rechenleistung benötigen (z. B. Spielekonsolen, Smartphones usw.)

Die Verwendung von Halbleitern beschränkt sich nicht nur auf die Datenverarbeitung, sondern ist auch für die Unterhaltungselektronik von entscheidender Bedeutung. Intelligente Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen, Kühlschränke und Staubsauger-Roboter benötigen Chips, um zu funktionieren. Auch im Automobilsektor werden Chips für die Herstellung von Autos verwendet, von Unterhaltungs-Systemen bis zu Systemen für das assistierte Fahren.

Die Herstellung von Chips aus Halbleitern ist teuer, komplex und zeitaufwendig. Die durch die Covid-19-Pandemie in den 2020er-Jahren auferlegten Einschränkungen und Sperrungen haben zu einer starken Verlangsamung der Halbleiter-Produktionsketten geführt. Durch die Schließung von Fabriken zur Einhaltung der Anti-Covid-Maßnahmen und die Verringerung der Arbeitszeit war es nicht möglich, die Produktionsziele einzuhalten: Die Anzahl der produzierten Chips blieb deutlich hinter den Planungen zurück.

Gleichzeitig hat die durch die Covid-19-Pandemie bedingte Zunahme des intelligenten Arbeitens und der Digitalisierung die Nachfrage nach elektronischen Geräten exponentiell gesteigert.

Immer mehr Menschen benötigten neue PCs, Tablets, Webcams oder andere Geräte, um aus der Ferne arbeiten und restriktive Maßnahmen einhalten zu können. Dies führte zu zahlreichen Anfragen nach neuen Produkten und Geräten, während es immer weniger Komponenten für deren Herstellung gab.

Ohne Halbleiter käme die Welt zum Stillstand, weil die Produktion unzähliger elektronischer Geräte wie Smart-TVs, Smartphones, aber auch Photovoltaikanlagen nicht mehr möglich wäre. Auch Computer, die meisten intelligenten Haushaltsgeräte und natürlich Industrieroboter wären betroffen. Dutzende, wenn nicht gar Hunderte von ihnen sind in jedem Auto verbaut: In manchen Autos gibt es bis zu tausend Halbleitern, die alle hoch entwickelten Funktionen wie das ABS steuern. Im Allgemeinen sind in Elektroautos zehnmal so viele Halbleiter verbaut wie in Verbrennungsautos.

In Kürze: Anwendungsbereiche von Halbleitern

Halbleiterprodukte

Halbleitertechnologie ist die Grundlage für viele verschiedene elektronische Komponenten und Systeme. Dies sind einige Beispiele für Halbleitergeräte:

• Transistoren: Dies sind die grundlegenden Schaltungen in den meisten elektronischen Geräten und dienen als Verstärker oder Schalter.
• Dioden: Sie ermöglichen den Stromfluss nur in eine Richtung und werden häufig in Schutzschaltungen verwendet.
• MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors): Eine Art von Transistor, der zum Schalten und Verstärken von Signalen verwendet wird. Sie sind das Hauptelement in modernen integrierten Schaltkreisen und Mikroprozessoren.
• Halbleiterdetektoren: Diese werden in vielen verschiedenen Anwendungen verwendet, einschließlich in der Medizin und Astrophysik, um ionisierende Strahlung zu detektieren.
• Leuchtdioden (LEDs): Diese dienen als Lichtquelle in einer Vielzahl von Anwendungen, von Bildschirmen bis hin zu allgemeiner Beleuchtung.
• Fotodioden und Solarzellen: Diese wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um.
• Halbleiterlaser: Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich in der Telekommunikation und im Bereich der industriellen Materialbearbeitung.
• Integrierte Schaltkreise (ICs): Dies sind komplexe Schaltungen, die auf einem kleinen Halbleitermaterial hergestellt werden und in fast allen modernen elektronischen Geräten zu finden sind.
• Speichergeräte: Dazu gehören Flash-Speicher und DRAM (Dynamic Random Access Memory), die in Computern und anderen elektronischen Geräten weit verbreitet sind.
• Leistungshalbleitergeräte: Dazu gehören Leistungstransistoren, Thyristoren, Dioden und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), die in der Leistungselektronik eingesetzt werden.

Die Herstellung von Halbleitern ist ein komplexer Prozess, der aus mehreren Schritten besteht, darunter die Kristallzüchtung, Waferherstellung und die Schaltungsherstellung. Diese Schritte werden im Folgenden grundlegend beschrieben.

Kristallzüchtung

Alles beginnt mit einem hochreinen Einkristall, in der Regel Silizium, aber auch andere Materialien wie Germanium oder Verbindungen wie Galliumarsenid werden verwendet (siehe Halbleitermaterialien). Das Silizium wird durch einen Prozess namens Czochralski-Verfahren zu einem langen Einkristall gezogen.

Waferherstellung

Der Siliziumkristall wird in dünne Scheiben (sogenannte Wafer) geschnitten. Diese Wafer werden poliert, bis sie eine nahezu perfekte, spiegelglatte Oberfläche haben.

Schaltungsherstellung

Jetzt beginnt der eigentliche Prozess der Halbleiterherstellung, der Fotolithographie genannt wird. Er besteht aus einer Reihe von Prozessen wie Oxidation, Diffusion oder Ionenimplantation, Deposition und Ätzen. Diese Prozesse werden mehrfach wiederholt, um die verschiedenen Schichten und Strukturen zu erstellen, die die endgültige Schaltung bilden.

Nachdem die Waver in der Schaltungsgerstellung zu einem Halbleiter transformiert wurden, werden diese auf Ihre Fuktion getestet und anschließend in Schutzgehäuse montiert. Diese bieten nicht nur Schutz, sondern ermöglichen auch die Verbindung des Chips mit anderen Geräten oder Schaltungen.

Halbleiter ist ein Begriff, der sich auf Materialien bezieht, die unter bestimmten Bedingungen Strom leiten. Das bedeutet, dass der Stromfluss besser gesteuert werden kann als bei herkömmlichen Leitern; daher sind Halbleiter in der Elektronik allgegenwärtig, insbesondere in Recheneinheiten aller Art. Sie sind aus der heutigen Welt daher nicht mehr wegzudenken.