Halbleiter

Definition: Was ist ein Halbleiter?

Ein Halbleiter ist ein Feststoff mit einem elektrischen Leitvermögen, das zwischen einem Leiter und einem Isolator (Nicht-Leiter) liegt. Die Eigenschaften der Halbleiter erlauben es unter Energiezufuhr durch Lichtquellen oder starker Temperatur, Elektronen freizusetzen und dann Strom zuleiten.

Zusammenfassung

Ein Halbleiter besteht aus Materialien, welche sowohl nicht-leitend als auch leitende Eigenschaften haben
Die Leitfähigkeit wird durch Fremdatome (N-Dotierung) oder (P-Dotierung) bestimmt
Vorteile: Halbleiter ist je nach Zustand leitfähig oder nicht-leitfähig, ermöglicht Miniaturisierung von Geräten, dient zur Entwicklung variabler Schaltkreise
Anwendungsgebiete: Solartechnik, Automobilbranche, Kommunikationstechnik, Medizintechnik, Elektroindustrie
Herstellungsprozess ist komplex und besteht aus: Wafern, Silizium, Hitze & Dampf, der Bildung von Einkristallen

Wie funktioniert ein Halbleiter?

Das Verhalten einer Halbleiter wird durch das Bändermodell beschrieben, das aus zwei Energiebändern besteht: dem Valenzband, in dem Elektronen stark an die Atome gebunden sind, und dem Leitungsband, das im Grundzustand leer ist. Die Bandlücke zwischen diesen Bändern bestimmt die Leitfähigkeit des Halbleiters.

Um die Leitfähigkeit gezielt zu verändern, werden Halbleiter dotiert, das heißt, Fremdatome werden in das Halbleitergitter eingebaut. Bei der n-Dotierung werden 5-wertige Elemente wie Phosphor verwendet. Diese bringen zusätzliche Elektronen ein, die als Ladungsträger dienen und die Leitfähigkeit erhöhen. Die Dotieratome werden Elektronendonatoren genannt und führen dazu, dass der Halbleiter n-leitend wird.

Bei der p-Dotierung hingegen werden 3-wertige Elemente wie Bor eingebracht. Diese können ein Elektron aufnehmen und hinterlassen ein Loch im Valenzband, das als positiver Ladungsträger fungiert. Die Dotieratome werden Elektronenakzeptoren genannt und führen dazu, dass der Halbleiter p-leitend wird.

Die Funktionsweise eines Halbleiters beruht auf der Modulation seiner Leitfähigkeit durch äußere Einflüsse wie Temperatur, Dotierung und angelegte Spannung. Durch die Dotierung mit bestimmten Fremdatomen können die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters gezielt verändert werden. Unter dem Einfluss einer angelegten Spannung können Elektronen durch den Halbleiter fließen, was die Basis für die Funktionalität von Halbleiterbauelementen wie Transistoren und Dioden bildet.

Vorteile von Halbleiter

Halbleiter ermöglichen die Verkleinerung (Miniaturisierung) von elektronischen Geräten und tragen zur Entwicklung leistungsfähigerer und energieeffizienterer Technologien bei. Die besonderen Eigenschaften von Halbleitern ermöglichen es, nur unter bestimmten Bedingungen leitfähig zu sein. Dadurch ist die Entwicklung von variablen und komplexeren Schaltkreisen möglich. Ihre Anpassungsfähigkeit und Vielseitigkeit machen sie zu einer Kernkomponente in einer Vielzahl von Anwendungen.

Anwendungsgebiete von Halbleitern

Halbleiter sind die in vielen Teilen der modernen Technologie nicht mehr wegzudenken. Ihre einzigartigen elektrischen Eigenschaften machen sie zu den Bausteinen zahlloser elektronischer Geräte und Systeme, die unseren Alltag prägen. Von Smartphones über Computer bis hin zu Solarzellen und medizinischen Geräten – Halbleiter finden sich in nahezu allen Bereichen unseres Lebens.

Beispiele für Halbleiter

Solartechnik: Halbleitermaterialien wie Silizium werden in Solarzellen verwendet, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Solarzellen sind ein wesentlicher Bestandteil von Solarpanels, die zur Erzeugung von sauberer Energie in Wohn-, Gewerbe- und Industrieanlagen eingesetzt werden.

Automobilindustrie: Moderne Fahrzeuge enthalten eine Vielzahl von Halbleiterkomponenten, die in Motorsteuerungen, Sicherheitssystemen, Unterhaltungssystemen, Navigationssystemen und anderen elektronischen Systemen verbaut sind. Halbleiter tragen zur Effizienz, Sicherheit und Komfort von Fahrzeugen bei.

Kommunikationstechnik: Halbleiter spielen eine entscheidende Rolle in der Telekommunikationstechnik, einschließlich Mobilfunknetzen, WLAN, Satellitenkommunikation und Glasfasertechnologie. Sie ermöglichen die Übertragung und Verarbeitung von Daten in Telekommunikationsnetzen auf schnelle und effiziente Weise.

Medizintechnik: Halbleiter werden in medizinischen Geräten wie Ultraschallgeräten, Herzschrittmachern, Blutzuckermessgeräten und Bildgebungsgeräten eingesetzt. Sie ermöglichen präzise Messungen, Diagnosen und Behandlungen von medizinischen Zuständen.

Elektronikindustrie: Halbleiter bilden die Grundlage für elektronische Bauteile wie Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreise (ICs). Diese werden in einer Vielzahl von Geräten verwendet, darunter Smartphones, Computer, Fernseher, Haushaltsgeräte und mehr.

Benötigen Sie Hilfe bei der Entwicklung oder Fertigung von Elektronikteilen?

Halbleiter-Bauelemente werden nicht nur auf PCBs bestückt, sondern finden auch in diversen anderen Bereichen Ihre Anwendung. Haben Sie Fragen? Dann Kontaktieren Sie und dazu gerne.

Jetzt Kontakt aufnehmen

Herstellungsprozess einer Halbleiter

Die Herstellung von Halbleitern, wie etwa Siliziumchips, beginnt mit der Reinigung von Silizium, die als Substrat (chemische Verbindung) dienen. Diese werden dann in einem Ofen erhitzt und mit einer dünnen Schicht aus Siliziumdioxid überzogen.

Nach anschließender Abkühlung des Siliziums bilden sich Einkristalle, die wiederum in kleine Stücke zerlegt werden, um einzelne Wafer zu erhalten. Durch verschiedene Prozesse, wie chemische Gasphasenabscheidung oder physikalische Aufdampfung, werden Schichten verschiedener Materialien auf den Wafer aufgebracht, um spezifische elektronische Eigenschaften zu erzeugen.

Als nächstes wird eine Schicht Fotolack aufgetragen und belichtet, um das gewünschte Schaltungsmuster zu erzeugen. Durch Ätzen wird das Muster in den Lack übertragen und das darunterliegende Material, wie Silizium, dotiert, um positive und negative Ladungsträger zu erzeugen. Dieser Schritt wird oft durch Ionenimplantation erreicht, bei der Fremdatome in das Silizium eingebracht werden, um die elektrischen Eigenschaften zu modifizieren.

Nach dem Mustertransfer folgt eine Reihe von Reinigungs- und Ätzschritten, um unerwünschte Materialreste zu entfernen und die gewünschten Strukturen zu definieren. Isolierschichten werden abgeschieden und Kontakte werden hergestellt, um die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Schichten herzustellen.

Schließlich werden die Wafer in einzelne Chips geschnitten und verpackt. Dieser Prozess beinhaltet oft Tests, um sicherzustellen, dass die hergestellten Chips den erforderlichen Spezifikationen entsprechen, und Montageverfahren, um sie in Gehäusen zu schützen und mit Anschlüssen zu versehen.

Fazit

Halbleiter sind für moderne Technologien höchst relevant und finden sich in einer Vielzahl elektronischer Geräte und Systeme wieder, die unseren Alltag prägen. Ihre einzigartigen elektrischen Eigenschaften ermöglichen eine präzise Steuerung von Stromflüssen und bilden die Basis für Schaltkreise mit variablen Widerständen. Die Dotierung von Halbleitern ermöglicht es, ihre Leitfähigkeit gezielt zu verändern, was in zahlreichen Anwendungen, von Solarzellen bis hin zu Mikrochips genutzt wird.