Auswahlhilfe für Halbleiter

Halbleiter machen einen Großteil der Technologie möglich, die das moderne Zeitalter ausmacht. Sie vereinen die Eigenschaften eines Leiters und eines Nichtleiters (Isolierstoff) und können damit in einer Unzahl verschiedener Elektronikanwendungen eingesetzt werden. Die Geschichte des Halbleiters reicht bis in die frühen 1800er zurück, doch erst in den 1900ern wurden sie in diedie vielfältigen heutigen zuverlässigen Bauelementen weiterentwickelt.

Was sind Halbleiter?

Die meisten Halbleiter werden hergestellt, indem zu in der Natur vorkommenden Elementen wie Silicium, Germanium und andere ein Dotierstoff zugegeben wird. Damit können sie bestimmte Eigenschaften im Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit aufweisen und so in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden.

Die meisten Halbleiter haben eine kristalline Struktur. Durch die Dotierstoffe werden die leitenden und isolierenden Eigenschaften des Halbleiters erhöht, um genau die benötigten Vorteile zu erhalten. Im Laufe der Zeit ist die Entwicklung neuer Halbleiter zu einem der aktivsten Bereiche der Wissenschaft geworden. Kontinuierliche Verbesserungen in der Fähigkeit, Halbleiter für verschiedene Aufgaben anzuwenden, haben die technologischen Revolutionen ermöglicht, die die Welt in den vergangenen Jahrzehnten gesehen hat. Genau so wichtig ist die Tatsache, dass die meisten dieser technologischen Revolutionen zu erschwinglichen Konsumprodukten geführt haben, die sich nahezu jeder leisten und nutzen kann. Diese gesamte Technik begann mit relativ einfachen Geräten, die jedoch ständig weiterentwickelt wurden, um die komplexen Maschinen zu schaffen, die wir heute nutzen.

Halbleiter traten zum ersten Mal weltweit in Erscheinung, als sie in Transistoren verwendet wurden und damit den Bedarf nach Vakuumröhren weitgehend entfallen ließen. Mit der Zeit erhöhte sich die Anzahl an Transistoren, die auf eine einzelne integrierte Schaltung passten, erheblich, bis schließlich die leistungsstarken 64-Bit-Prozessoren entstanden, die wir heute haben.

Die Anzahl der Transistoren, die auf einen Computerchip passen, erhöht sich entsprechend einer Theorie, die von Thomas Moore entwickelt wurde. Das sogenannte mooresche Gesetz hat sich seit den 1960ern als richtig erwiesen, denn die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip hat sich alle zwei Jahre verdoppelt. Diese Transistoren und die Chips, auf denen sie aufbauen, wären ohne Halbleiter nicht möglich, die präzise Regelung des Stromflusses erlauben.

Mithilfe von Halbleitern können Elektrotechniker mit sehr geringer elektrischer Energie Strom, Spannung oder Verstärkung in der Elektrizität zu regeln. Damit können sie als eine Art von Schalter verwendet werden, die die Grundlage für Transistoren und viele andere Arten elektrischer Bauelemente bilden, die in der digitalen Revolution und allen für sie eingesetzten Technologien so wichtig sind.

Halbleiter sind besser verständlich, wenn sie nach den Bauteilen aufgeteilt werden, in denen sie eingesetzt werden. Es gibt viele verschiedene Arten auf dem Markt und auch ihre Anwendungsbereiche sind sehr vielfältig.

Welche Arten von Halbleitern gibt es?

Nachstehend sind einige der gebräuchlichsten Arten von Halbleitern und ihre Anwendungsbereiche aufgeführt.

Verstärker:
Halbleiter werden in einer breiten Palette von Verstärkern eingesetzt. Ein Beispiel dafür sind optische Verstärker. Diese werden in der Physik und in Anwendungen der optischen Nachrichtentechnikangewandt. Optische Verstärker verwenden Halbleiter, die Licht verstärken können, ohne dieses zuerst in einen elektrischen Strom umzuwandeln.

Komparatoren:
Komparatoren kommen häufig in der Analog-Digital-Wandlung und in einigen anderen Anwendungen zum Einsatz. Diese Bauelemente können zwei getrennte elektrische Ströme oder zwei getrennte elektrische Spannungen aufnehmen und ihre Ausgangsspannung auf Basis des größeren Stromwerts schalten.

Audio-Prozessoren:
Halbleiter werden in vielen verschiedenen Audio-Prozessorschaltungen eingesetzt. Sie werden in der Analog-Digital-Wandlung, zur Aufzeichnung und zur Live-Tonwiedergabe verwendet.

Chip Programmer:
„Chip Programmer“ sind Programmiergeräte, die mit nichtflüchtigen digitalen Schaltungen verwendet werden. Diese Geräte stellen die Verbindung mit Schaltungen über die Kontaktstifte (Pins) her, sodass die Schaltungen nach Wunsch programmiert werden können. In den meisten Fällen kommen sie in Verbindung mit einem Computer zum Einsatz.

UV-Löschgeräte :
Diese werden mit EPROM-Speichern verwendet. Mit der UV-Löschgeräten können die Kondensatorladungen im Bauelement geändert werden, sodass der EPROM-Speicher nach Bedarf neu programmiert werden kann. Diese Geräte gibt es bereits seit langer Zeit und sie gehören nicht mehr zur modernsten Technologie.

Timer:
Es gibt zwei Hauptanwendungen für Halbleiter in Timern. Die erste ist die Verwendung in den Uhren. Die zweite steht im Zusammenhang mit Computern. Die Uhren bzw. Taktgeber in Computern koordinieren alle verschiedenen Aufgaben, die ein Computer ausführen muss. Halbleiter werden genutzt, um die ultraschnellen Taktgeber zu konstruieren. Sie sind in verschiedenen Frequenzen für unterschiedliche Anwendungen erhältlich.

Zeitgeberschaltungen:
Zeitgeberschaltungen sind wesentliche Bestandteile von Computern. Diese Elemente koordinieren die verschiedenen Aufgaben, die zum Betrieb des Computers notwendig sind. Sie werden auch für andere Zwecke eingesetzt, wie die Steuerung von Maschinen und vieles mehr.

Frequenzregelschaltungen:
Frequenzregelschaltungen sind häufig in Rundfunkanwendungen zu finden. Mit ihnen kann ein Empfänger so auf einen Sender abgestimmt bleiben, um auftretende Abweichungen auszugleichen. Sie werden in Fernsehgeräten für den gleichen Zweck eingesetzt. Eine ihrer wesentlichen Funktionen ist die Kontrolle eines Phänomens mit der Bezeichnung Frequenzdrift.

Quarze:
Viele Halbleiter sind Quarze. Ein Großteil dieser Halbleiter hat eine Diamantstruktur, die ihnen ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht..

Oszillatoren:
Oszillatoren sind Schaltungen, die ungedämpfte elektrische Schwingungen erzeugen. Sie erzeugen diese Signale immer wieder. Oszillatoren können eine Vielzahl verschiedener Signalformen erzeugen, darunter Sinusschwingungen, Sägezahnschwingungen, Rechteckschwingungen und weitere. Geräte, in denen Oszillatoren zum Einsatz gelangen, reichen von Computern über Radios bis hin zu Musikinstrumenten. In Radios bilden sie eine Schaltung, mit der das Radio auf die verschiedenen Sender eingestellt werden kann.

Resonatoren:
Resonatoren verstärkten bestimmte Frequenzen. In Radios werden sie in Verbindung mit dem Oszillator verwendet. Der Resonator in Radios arbeitet über den Kondensator. Diesen verstellen Sie, wenn Sie den Regler drehen, um einen Sender einzustellen. Der Resonator verstärkt die entsprechende Sinusschwingung vom Kondensator.

Datenwandler:
Datenwandler bzw. Datenumsetzer dienen dazu, eine Datenform in eine andere umzuwandeln. Einige der gebräuchlichsten Anwendungen hierfür sind Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler. Sie ermöglichen viele Funktionen, vom Remastern alter Alben, um digitale Standards im Hinblick auf Klangqualität zu erreichen, bis zur Umwandlung der Sprachsignale, die zur Steuerung von Spracherkennungssystemen durch ein Mikrofon gesendet werden.

Diskrete Halbleiter:
Diskrete Halbleiter umfassen eine Reihe verschiedener Bauelemente. Hierzu gehören u. a. Transistoren, Thyristoren und Dioden. Diese bilden die Grundbauteile komplexer Schaltungen, wie die vielen Transistoren, aus denen ein Computerprozessor besteht.

Display-Treiber:
Computer wären ohne Display-Treiber nicht sehr nützlich. Display-Treiber setzen die Informationen Ihres Computers in die Elemente um, die auf dem Bildschirm angezeigt werden. Es gibt verschiedene Display-Treiber für verschiedene Arten von Bildschirmen und verschiedene Geräte.

Controller:
Controller bieten eine Möglichkeit zur Anbindung Ihres Computers an externe Geräte sowie zur Kommunikation der internen Bauteile des Computers. Erweiterungskarten, die häufig in Computern ergänzt werden, um ihre Funktionen zu erweitern, werden beispielsweise von Controllern gesteuert. Controller erfüllen ebenfalls Funktionen wie die Regelung des Zugriffs des Computers auf den verfügbaren Speicher.

Schnittstellen ICs:
Integrierte Schnittstellenschaltungen sorgen für Konnektivität zwischen verschiedenen Geräten. Sie werden häufig in USB-Technologie und anderen Technologien wie LCDs, Ethernet-Controllern eingesetzt.

Speicherchips:
Speicherbausteine wären ohne Halbleiter nicht möglich. Diese stellen verschiedene Arten von Speicher zur Verfügung, von RAM, um Computer mit hohen Geschwindigkeiten zu betreiben, bis zum ROM, das Informationen auch im abgeschalteten Zustand speichern kann. Speicherchips gehören zu den Halbleitertechnologien auf dem Markt, die am beständigsten verbessert werden.

Powermanagement ICs:
Integrierte Schaltungen für das Energiemanagement sind in einer Reihe verschiedener Geräte zu finden, vor allem wenn sie batteriebetrieben sind . Dort helfen sie, die vom System verbrauchte Energie zu regeln. Sie finden diese zum Beispiel in Ihrem Smartphone. Sie kommen ebenfalls in Batterielade- und Controlleranwendungen zum Einsatz.

Prozessoren:
Wenn es einen Bereich gibt, in dem Halbleiter besonders sichtbar und beeindruckend sind, so sind dies Prozessoren. Mit ihrer Hhilfe können Computer komplexe Berechnungen ausführen, die sie einfach ausgedrückt funktionieren lassen. Da ein einzelner Chip mit immer mehr Transistoren bestückt werden konnte, hat die Leistung von Prozessoren in den vergangenen Jahrzehnten ungeheuer zugelegt. Dank besserer Werkstoff- und Fertigungstechniken können Computerentwickler und -hersteller jedes Jahr immer leistungsfähigere Prozessoren produzieren.

Mikrocontroller:
Mikrocontroller kommen häufig für Funktionen zum Einsatz, in denen integrierte Anwendungen zum Betrieb einer Maschine benötigt werden. Im Wesentlichen sind viele von ihnen winzige Computer, die auf einen einzelnen Chip passen. Sie werden ebenfalls in Medizingeräten, in Autos und vielen anderen wichtigen Produkten der modernen Welt eingesetzt.

Programmierbare logische Schaltkreise:
Programmierbare logische Schaltkreise werden in Anwendungen eingesetzt, in denen eine digitale Schaltung neu konfiguriert werden muss, um verschiedene Aufgaben zu handhaben. Diese unterscheiden sich von einfachen logischen Verknüpfungen , die eine feste, unveränderliche Funktion haben. Ein programmierbarer logischer Schaltkreis kann über spezielle Geräte geändert werden, sodass er eine Vielzahl verschiedener Funktionen erfüllen kann.

Hochfrequenz:
Halbleiter werden in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen in der HF-Technik eingesetzt. Sie dienen zum Bau genauer Tuner, zur Verstärkung, oder zur Digital-Analog-Wandlung. Halbleiter ermöglichten ebenfalls die Konstruktion der berühmten Transistorradios, die mobile Rundfunkgeräte zu einer realistischen Möglichkeit machten.

Mikrowellenschaltungen:
Halbleiter kommen in Mikrowellenschaltungen zum Einsatz. Die Schaltungen werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt, darunter Geräuschverstärkung, Leistungsverstärkung und mehr. Sie werden ebenfalls in Geräten wie Mobiltelefonen verwendet, die wir jeden Tag sehen, und Geräte wie Laser, die eher in der Industrie zum Einsatz gelangen.

Halbleiter-Entwicklungskits:
Halbleiter-Entwicklungskits werden von Elektrotechnikern verwendet, um neue Produkte zu entwickeln und vorhandene Produkte zu analysieren. Sie enthalten in der Regel eine Reihe verschiedener Geräte, darunter Tester, Platinen zur Auswertung der Schaltungen, Simulatoren und Emulatoren und mehr. Teil dieser Kits sind häufig auch Programmiergeräte, sodass Elektrotechniker programmierbare logische Schaltkreise nutzen können, um neue Geräte zu erstellen. Diese werden häufig statt angepasster Leiterplatten verwendet, da Bauteile weitaus einfacher hinzugefügt und entfernt werden können.

Sensor-ICs :
Ein Sensor-IC ist eine integrierte Schaltung, die als Sensor bestimmter Art funktioniert. Sensoren sind Bauelemente, die eine messbare Größe in ein elektronisches Signal umwandeln. Dieses Signal kann dann mit einem elektronischen Gerät gemessen werden, sodass Techniker und in einigen Fällen auch Laien eine physikalische Eigenschaft größenmäßig bestimmen können. Ein Voltmeter ist zum Beispiel ein Gerät, mit dem sich eine große Reihe verschiedener elektrischer Eigenschaften messen lassen, wie Impedanz, Spannung und Strom.

Logikgatter:
Logikgatter beziehen sich auf Transistor-Transistor-Logik, abgekürzt TTL. Was Halbleiter anbetrifft, ermöglichen sie die Integration einer Vielzahl verschiedener Bauelemente auf einem einzelnen Chip, sodass sehr komplexe, mit Standardlogik gesteuerte Geräte entstehen. Hierzu gehört alles von den einfachsten NAND- und NOR-Verknüpfungen zu den hoch entwickeltsten Computern der Welt. Viele der Fortschritte, die durch Standardlogik möglich gemacht wurden, sind der Flexibilität von Halbleitern und ihren Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Anwendungen zu verdanken.

Videoprozessor-Schaltungen:
Videoprozessor-Schaltungen nehmen Informationen von Ihrem Computer und zeigen sie auf einem Bildschirm an. Diese Geräte wurden im Laufe der Jahre bedeutend verbessert. Das Endergebnis sind die leistungsstarken 3D-Grafikgeräte, die heute gebräuchlich sind. Halbleiter machen diese Geräte nicht nur möglich, sondern durch die niedrigen Herstellungskosten von elektronischen Geräten kann sich jedermann technisch ausgereifte Videodisplaygeräte in seinem Computer leisten. Dies alles beginnt mit Videoprozessorschaltungen, die Informationen vom Computer verarbeiten und in eine von Menschen lesbare Form umsetzen.