Was sind Halbleiter und wo werden sie angewendet?
Den Begriff „Halbleiter“ hat wahrscheinlich jeder schon einmal gehört, viele können ihn auch erklären. Für alle, die nicht genau wissen, was ein Halbleiter ist und für was er verwendet wird, gibt es diesen Leitfaden.
Halbleiter haben maßgeblich zur Entwicklung von Mikrochips beigetragen. Doch was sind Halbleiter überhaupt und wo werden sie sonst noch verwendet?
Foto: PantherMedia / Cseh Ioan
Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, die sie von Leitern und Nichtleitern unterscheiden, sind Halbleiter zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Elektronik geworden. Sie werden in einer Vielzahl von Technologien eingesetzt, von Transistoren und integrierten Schaltkreisen bis hin zu LEDs, Laserdioden und Solarzellen. In diesem Leitfaden erfahren Sie, was Halbleiter sind, wie sie aufgebaut sind und welche Eigenschaften sie so besonders machen.
Inhaltsverzeichnis
Was sind Halbleiter?
Die meisten Stoffe leiten elektrischen Strom – oder sie tun es nicht. Eine Ausnahme bilden die sogenannten Halbleiter. Halbleiter sind Materialien, die eine elektrische Leitfähigkeit zwischen Leitern (wie Metallen) und Nichtleitern (wie Isolatoren) aufweisen. Im Gegensatz zu Metallen, die gute elektrische Leiter sind, und Isolatoren, die gar keinen Strom leiten, besitzen Halbleiter eine elektrische Leitfähigkeit, die zwischen diesen beiden Extremen liegt.
Daher haben die Halbleiter ihren Namen: Sie halten den Strom nicht so gut wie Metalle, aber sie blockieren ihn auch nicht vollständig wie Isolatoren. Der Begriff „Halbleiter“ bezieht sich also auf diese Zwitterposition in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt stark von äußeren Einflüssen wie Temperatur, Dotierung oder anliegender Spannung ab.
Aufbau von Halbleitern
Die Elemente Silizium (Si) und Germanium (Ge) finden am häufigsten als Halbleitermaterialien Verwendung. Sie gehören zur IV. Hauptgruppe des Periodensystems und haben jeweils vier Valenzelektronen. Aufgrund ihrer atomaren Struktur können sie Kristallgitter bilden, in denen diese Elektronen für die elektrische Leitfähigkeit zuständig sind.
Silizium ist das am weitesten verbreitete Material und Grundlage der meisten Halbleiterbauelemente. Es ist sehr stabil, gut verfügbar und relativ kostengünstig in der Herstellung. In früheren Jahren war Germanium in der Halbleitertechnologie ebenfalls von Bedeutung. Es wurde inzwischen weitgehend durch Silizium ersetzt und findet nur noch in einigen spezialisierten Bereichen Verwendung.
Darüber hinaus gibt es weitere Elemente, die als Halbleiter genutzt werden können, die sogenannten Verbindungshalbleiter. Diese bestehen aus Verbindungen von Elementen, wie beispielsweise Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Galliumnitrid (GaN) und vielen anderen. Verbindungshalbleiter weisen Eigenschaften auf, die in bestimmten Anwendungen von Vorteil sein können. Nämlich dann, wenn Silizium aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften nicht geeignet ist, etwa in der Optoelektronik, also der Technik zur Lichterzeugung aus Halbleitern (Hochfrequenztechnik oder Leuchtdioden).
Diese Eigenschaften machen Halbleiter besonders
Halbleiter haben in Bezug auf ihre elektronische Struktur mehrere einzigartige Merkmale, die sie von anderen Materialien unterscheiden. Dazu gehören:
Bandlücke: Halbleiter besitzen eine sogenannte Energiebandlücke oder Bandgap. Das ist ein flexibler Bereich zwischen dem Valenzband, das die Elektronen des Materials in ihrem thermischen Gleichgewicht hält, und dem Leitungsband, in dem sich Elektronen frei bewegen können und elektrischen Strom leiten. Die Breite der Bandlücke bestimmt die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters. Im Gegensatz dazu haben Metalle keine Bandlücke, während Isolatoren eine große Bandlücke besitzen.
Dotierung: Eine weitere Besonderheit von Halbleitern ist die Möglichkeit, ihre Leitfähigkeit durch das Zusetzen von Fremdatomen zu steuern. Das nennt sich Dotierung. So können Halbleiter umgewandelt werden: entweder in n-Typ-Halbleiter, in denen zusätzliche Elektronen vorhanden sind, oder in p-Typ-Halbleiter, in denen Löcher (fehlende Elektronen) vorhanden sind. Dies ermöglicht es nicht nur, die Leitfähigkeit zu steuern, sondern auch sogenannte pn-Übergänge zu schaffen, die für viele elektronische Bauelemente von Bedeutung sind.
Ladungsträger: Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern beruht auf der Existenz von Ladungsträgern, die entweder Elektronen oder Löcher sein können. In reinen Halbleitern bei Raumtemperatur sind die Leitungs- und Valenzelektronenbänder weitgehend besetzt, und es gibt nur wenige freie Ladungsträger. Durch Dotierung oder Erhöhung der Temperatur können jedoch zusätzliche Ladungsträger erzeugt werden, was zu einer besseren Leitfähigkeit führt.
Temperaturabhängigkeit: Halbleiter sind stark temperaturabhängig. Bei höheren Temperaturen steigt die Anzahl der freien Ladungsträger aufgrund der thermischen Energie. Deshalb nimmt die Leitfähigkeit von Halbleitern mit steigender Temperatur zu. Diese Temperaturabhängigkeit ist ein wichtiges Merkmal von Halbleitern und hat Auswirkungen auf ihre Anwendung in verschiedenen Bereichen.
Anwendungen von Halbleitern
Ihre einzigartigen Merkmale machen Halbleiter zu einem vielseitigen Material für die Elektronikindustrie. Sie ermöglichen die Entwicklung von Transistoren, Dioden, integrierten Schaltkreisen und vielen anderen elektronischen Bauteilen, die die Grundlage für moderne Technologien bilden.
Transistoren gehören zu den wichtigsten Produkten der Halbleiterindustrie. Sie können elektrische Signale verstärken. So werden schwache Signale für weitere Verarbeitungsschritte nutzbar gemacht. Transistoren fungieren zudem als Schalter, um elektrische Signale ein- oder auszuschalten – die Grundlage für die digitale Schaltungstechnik. Schließlich erlauben Transistoren eine effiziente Steuerung von Leistung, indem sie hohe Ströme und Spannungen handhaben können. Aus diesen Gründen sind Transistoren unverzichtbar für die Entwicklung und den Betrieb moderner Systeme.
Halbleiter haben außerdem die Entwicklung von Mikrochips und integrierten Schaltkreisen maßgeblich vorangetrieben. Dank ihrer speziellen Eigenschaften ermöglichen Halbleiter den Einbau einer großen Anzahl von Transistoren und anderen elektronischen Komponenten auf einem einzigen Chip. Das sorgt für eine deutliche Steigerung der Rechenleistung und Speicherkapazität von Computern. Auch lassen sich dank Halbleiter-Technologie komplexe Schaltungen und Funktionen in elektronischen Geräten umsetzen.
In der Entwicklung von LED, Laserdioden und Photovoltaikzellen spielen Halbleiter ebenfalls eine große Rolle. In allen drei Anwendungen werden bestimmte Halbleitermaterialien verwendet, um die gewünschten elektronischen und optischen Eigenschaften zu erreichen. Für LED sind das beispielsweise Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN). Die Zusammensetzung und Struktur des Halbleiters bestimmt dabei die Wellenlänge des erzeugten Lichts. Laserdioden funktionieren ähnlich wie LED. Durch die Injektion von elektrischem Strom in den Halbleiter wird Licht erzeugt. Dieses wird verstärkt und kohärent abgestrahlt, wodurch ein Laserstrahl entsteht. Photovoltaik- oder Solarzellen bestehen in der Regel aus Silizium. Sie werden in Solarmodulen verwendet, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln.
Wie werden Halbleiter zur Messung von Temperatur, Druck und Licht eingesetzt?
Eine weiteres Anwendungsgebiet für Halbleiter sind verschiedene Sensoren, um Temperatur, Druck oder Licht zu messen:
- Temperatursensoren: Temperatursensoren nutzen die Eigenschaften von solchen Halbleitern, die ihre Leitfähigkeit durch Wärme ändern. Ein gängiges Beispiel ist der Thermistor. Seine Widerstandswerte ändern sich mit der Temperatur, und diese Änderung wird zur Messung verwendet. Halbleiter-Temperatursensoren finden sich unter anderem in Haushaltsgeräten, aber auch in industriellen Prozesssteuerungen.
- Drucksensoren: Drucksensoren basieren auf der piezoresistiven Eigenschaft von Halbleitern. Das bedeutet, dass sich der Widerstand eines Materials unter mechanischem Druck verändert. Durch Druck auf den Halbleiter können diese Änderungen gemessen und in Druckwerte umgewandelt werden. Halbleiter-Druckensoren werden zum Beispiel in der Automobilindustrie, bei Luftdruckmessungen oder in medizinischen Geräten eingesetzt.
- Lichtsensoren: Lichtsensoren, auch Fotodioden oder Fototransistoren genannt, nutzen die Fähigkeit der Halbleiter, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Trifft Licht auf den Halbleiter, werden Elektron-Loch-Paare erzeugt – der Strom beginnt zu fließen. Seine Intensität ist proportional zur Lichtintensität. Diese Sensoren finden sich beispielsweise in Kameras oder Smartphones (Helligkeitssteuerung des Displays) sowie in optischen Sensoren oder Solarzellen.
Zukunftsaussichten und Herausforderungen in der Halbleitertechnologie
Obwohl Silizium nach wie vor das dominierende Material in der Halbleitertechnologie ist, gewinnen alternative Materialien an Bedeutung. Dazu gehören unter anderem Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Siliziumkarbid (SiC) und organische Halbleiter. Jedes dieser Materialien weist einzigartige Eigenschaften auf, wie beispielsweise eine höhere Leistungsdichte, bessere Wärmeableitung oder flexibles Design, was sie für spezialisierte Anwendungen in Hochleistungselektronik, Leistungselektronik, Optoelektronik und flexibler Elektronik attraktiv macht.
Fortschritte in der Halbleitertechnologie zielen zudem darauf ab, die Effizienz von Solarzellen, Batterien und Energiespeichersystemen zu verbessern. Neue Materialien machen die Entwicklung von extrem leistungsfähigen Solarzellen möglich, die mehr Sonnenlicht in Strom umwandeln können. Halbleiter für energiesparende Elektronik und Leistungsverstärkung tragen zur einer verbesserten Stromerzeugung und -übertragung bei.
Allerdings gibt es sowohl physikalische als auch technische Grenzen für die Halbleitertechnologie. Die Miniaturisierung von Transistoren und anderen Bauelementen auf einem Halbleiterchip hat dazu geführt, dass die Strukturbreiten auf atomare oder nanoskalige Dimensionen geschrumpft sind. Dies stößt jedoch auf Dauer an physikalische Grenzen – kleiner als klein funktioniert irgendwann nicht mehr. Mit dem zunehmenden Einbau von Transistoren auf nur einem Chip steigt auch die Wärmeerzeugung. Deren Ableitung oder Kühlung ist eine Herausforderung, für die neue Lösungsansätze entwickelt werden müssen.
Die Verfügbarkeit von und Kosten für Materialien innerhalb der Halbleitertechnologie sind ebenfalls ein Problem. Seltene Erden oder Stoffe mit geringer Toxizität sind begrenzt oder aber ihr Abbau schadet der Umwelt und ist wenig nachhaltig. Die Suche nach alternativen Materialien oder Recyclingmethoden ist daher eine weiterer wichtiger Schritt. Diese aktuellen Grenzen sind nicht das Ende der Halbleitertechnik. Es sind aber Herausforderungen, die es zu überwinden gilt, um weiterhin von Halbleitern zu profitieren.
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