Was ist ein Halbleiter?

Ein Halbleiter ist ein Material, das elektrische Ströme steuert und daher ein wesentlicher Bestandteil der meisten modernen Elektronikgeräte ist. Dabei handelt es sich um Computerchips und Mikrocontroller, die Smartphones, Computer und Fernseher antreiben.

Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften liegen Halbleiter zwischen hochleitenden Materialien (wie Kupfer oder Aluminium) und Nichtleitern (wie Gummi oder Glas). Halbleiter-Hardware besteht meist aus Silizium, Germanium und Galliumarsenid und ermöglicht entweder einen freien Stromfluss oder stößt ihn vollständig ab.

Halbleiter sind Materialien, die den Stromfluss stärker steuern können als Isolatoren (Nichtleiter), jedoch weniger als Leiter. Sie werden in vielen elektronischen Geräten verwendet, darunter Computer und Smartphones.

„Jedes elektronische Gerät, das an eine Wand angeschlossen wird oder eine Batterie verwendet, enthält Halbleiter“, sagte Mike Pienovi, General Manager der Sitara-Mikrocontroller-Einheiten bei Texas Instruments, gegenüber Built In.

Man kann die Allgegenwärtigkeit von Halbleitern kaum genug betonen: Dioden, Chips und Transistoren sind allesamt daraus hergestellte Geräte.

„Halbleiter gibt es in einem breiten Spektrum von Märkten wie Industrie, Automobil, persönliche Elektronik, Kommunikationsausrüstung und Unternehmenssysteme“, fügte Pienovi hinzu. „Diese Chips sind ein entscheidender Bestandteil der heutigen Technologie und beeinflussen nahezu jeden Aspekt unseres Lebens.“

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Die Fähigkeit eines Halbleiters, Elektrizität zu leiten, hängt von der Bewegung und Wechselwirkung zwischen seinen beiden Stromträgern ab: freien Elektronen und Löchern (die die Abwesenheit eines Elektrons darstellen).

„Um zu verstehen, wie Halbleiter funktionieren“, so der promovierte Chemiker Andrew Stapleton, der Inhalte bei Academia Insider erstellt, „muss man etwas über Energiebänder wissen.“

Stapleton hat es so erklärt: In Festkörpern besetzen Elektronen Energieniveaus, die Energiebänder bilden. Die beiden wichtigsten Energiebänder in Halbleitern sind das Valenzband (das mit Valenzelektronen gefüllt ist) und das Leitungsband (das weitgehend leer ist).

Wenn thermische Energie auf halbleitendes Material einwirkt, wandern Valenzelektronen vom Valenzband zum Leitungsband, wo sie zu freien Elektronen werden. Sie hinterlassen leere Stellen im Valenzband, wodurch Löcher entstehen.

„Bei Nichtleitern sind diese Bänder weit voneinander entfernt“, sagte Stapleton. „Aber in Halbleitern sind sie so nah beieinander, dass bei Anlegen einer Wärmequelle Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband springen können, was den Fluss von elektrischem Strom ermöglicht.“

Die Stärke dieses Stroms hängt von der Höhe der angelegten Spannung sowie den Eigenschaften eines Halbleitermaterials ab (mehr dazu weiter unten). Die Beziehung zwischen diesen Faktoren wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben, das besagt, dass ein elektrischer Strom direkt proportional zur angelegten Spannung, jedoch umgekehrt proportional zum Widerstand eines Materials ist.

Der Widerstand kann jedoch manipuliert werden, um den Fluss elektrischer Ströme besser zu steuern. Bei einem als Dotierung bezeichneten Verfahren kann die Anzahl der Stromträger durch Zugabe von Verunreinigungen zu einem Material erhöht werden. Durch die Erhöhung der Anzahl freier Elektronen oder Löcher entsteht eine Mehrheit der Stromträger, was zu einer stärkeren Leitfähigkeit führt.

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Intrinsische Halbleiter sind reine Materialien, nämlich Silizium und Germanium, die eine natürliche Fähigkeit besitzen, Elektrizität zu leiten, wenn sie mit einem Heizelement in Kontakt kommen. Allerdings leiten diese undotierten Materialien elektrische Ströme nicht sehr gut.

In intrinsischen Halbleitern ist die Anzahl der freien Elektronen im Leitungsband immer gleich der Anzahl der Löcher im Valenzband. Diese geringe Konzentration an Stromträgern – freie Elektronen und Löcher – führt bei Raumtemperatur zu einer schlechten Leitfähigkeit. Die Verbesserung ihrer Leitfähigkeit ist in hohem Maße auf eine externe Wärmeenergiequelle, beispielsweise Spannung, angewiesen.

Während also allein die Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, Halbleiter zu einer nützlichen Komponente macht, ist diese Fähigkeit bei intrinsischen oder I-Typ-Halbleitern begrenzt.

„Extrinsische Halbleiter“, erklärte Vikas Kaushik, CEO des mobilen App-Entwicklungsunternehmens TechAhead und Informatik-Absolvent, „sind unreine Materialien, die absichtlich mit bestimmten Elementen ‚dotiert‘ werden, um ihre elektrischen Eigenschaften zu verbessern.“

Mit anderen Worten: Wenn Sie die Leitfähigkeit verbessern möchten, müssen Sie mehr Elektronen oder mehr Löcher hinzufügen – alles, um eine ungleiche Anzahl davon zu erzeugen. Hier kommen extrinsische Materialien ins Spiel.

Um mehr Elektronen hinzuzufügen, wird ein Halbleiter mit einem Atom dotiert, das fünf Valenzelektronen enthält, die als fünfwertige Atome bezeichnet werden. Um die Anzahl der Löcher zu erhöhen, werden Atome mit drei Valenzelektronen, sogenannte dreiwertige Atome, verwendet.

Halbleiter, die mehr Elektronen transportieren, sind Halbleiter vom N-Typ, während solche mit einer Lochmehrheit als Halbleiter vom P-Typ klassifiziert werden.

Extrinsische Halbleiter werden häufiger zum Bau von Elektronik verwendet als ihre intrinsischen Gegenstücke.

Bevor es Halbleiter gab, bauten Wissenschaftler die erste Generation von Computern mit Vakuumröhren. Schätzungsweise 17.468 dieser glasummantelten Röhren, die Miniaturglühbirnen ähneln, wurden in den ersten Digitalcomputer der Welt, den ENIAC, eingebaut, der 1964 eingeführt wurde. Während dieses System ganze Räume einnahm, 30 Tonnen wog und 2,70 Meter hoch war, Seine Fähigkeiten reichten bei weitem nicht an die heutigen Smartphones im Taschenformat heran.

Mit der Einführung der Transistoren im Jahr 1947 wurden Halbleiter zum Synonym für das Informationszeitalter.

„Halbleiter spielen eine unverzichtbare Rolle in Technologie und Innovation“, sagte Kaushik. „Sie sind das Rückgrat von Mikroprozessoren und ermöglichen es Computern, komplexe Aufgaben schnell und effizient auszuführen.“

Ein einzelner Halbleiterchip enthält Millionen von Transistoren. Nach Angaben der Semiconductor Industry Association sind heute weltweit mehr als 100 Milliarden integrierte Schaltkreise im täglichen Einsatz. Seit sie Mitte des Jahrhunderts auf den Markt kamen, waren Halbleiter das Herzstück fast aller elektronischen Geräte der Vergangenheit und treiben auch künftige Technologien an, darunter künstliche Intelligenz, autonome Autos und Geräte für das Internet der Dinge.

„Innovationen machen die Halbleitertechnologie weiterhin kleiner, effizienter, zuverlässiger und erschwinglicher“, sagte Pienovi von Texas Instruments.

Für Kaushik bilden Halbleiter die Grundlage moderner Elektronik und digitaler Transformation. „Ohne Halbleiter“, sagte er, „gäbe es die digitale Landschaft, wie wir sie kennen, nicht.“

Wenn es um die nächste Generation von Halbleitern geht, besteht die Herausforderung jedoch darin, die Kohlenstoffemissionen im nächsten Jahrzehnt um 50 Prozent zu senken, hin zu einer Netto-Null-Produktion.

Ein Halbleiter ist ein Material, das den Fluss elektrischer Ströme steuern und steuern kann. Ihre einzigartigen Leitfähigkeitseigenschaften positionieren sie zwischen Leitern und Nichtleitern.

Halbleiter werden zum Bau praktisch aller elektronischen Geräte verwendet und finden in den meisten relevanten Sektoren Anwendung, beispielsweise in der Automobilindustrie, der Heimelektronik, Kommunikationsausrüstung und Unternehmenssystemen.