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Wie haben Halbleiter unser Leben verändert?
Halbleiter kommen in den meisten modernen elektronischen Geräten vor, die wir verwenden. Wenn Sie diesen Artikel auf einem Computer lesen, wird dies zum Teil durch Halbleiter ermöglicht.
Halbleiter sind genau das, was der Name vermuten lässt. Sie besitzen die Eigenschaften eines Leiters, beispielsweise einer Metallleitung, sowie die Eigenschaften eines Nichtleiters in einem. So komplex diese Werkstoffe auch in der Verarbeitung sein mögen, sie haben unser Leben bedeutend vereinfacht.
Wie wäre das Leben ohne Halbleiter?
Es ist einfach vorstellbar, wie unser Leben ohne Halbleiter aussehen würde. Halbleiter sind seit weit über 100 Jahren bekannt und werden seitdem erforscht und zu einem gewissen Grad auch verwendet. Handelsübliche Produkte, in denen sie eingesetzt werden, sind jedoch erst seit Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts erhältlich.
Einen tatsächlichen Einfluss auf das tägliche Leben der Menschen üben die Halbleiter jedoch erst seit Beginn des Informationszeitalters aus. Desktop-Computer, das Internet, Tabletgeräte, Smartphones und all die anderen Dinge, die die Kommunikation heutzutage so einfach machen, sind alle abhängig von der Halbleitertechnologie. Halbleiter spielten eine bedeutende Rolle in der Technologie, die zum Informationszeitalter geführt hat, wurden allerdings erst in seiner Blütezeit ein so wichtiger Teil im Leben der Bevölkerung.
Ohne Halbleiter hätten wir nicht nur keine Computer oder modernen Elektronikgeräte, sondern nicht einmal einige der einfacheren Geräte, die zu unseren fortschrittlichen Computern von heute geführt haben. Beispielsweise wurden in Transistorradios Halbleiter verwendet, sodass diese überallhin tragbar waren. Genauso wurden in den früheren Taschenrechnern Halbleiter verwendet, sodass in besonders spezialisierten Bereichen – ein einfacher Taschenrechner kostete damals beinahe so viel wie heute ein Personal Computer – komplexe Berechnungen ohne Rechenschieber oder andere primitive Werkzeuge möglich waren.
Ohne Halbleiter würde die moderne Welt ganz anders aussehen. Tatsächlich würde sie wahrscheinlich eher aussehen wie im Industriezeitalter, als Elektronikgeräte noch äußerst primitiv waren und Glühlampen zur Spitzentechnologie auf der Welt gehörten.
Wofür werden Halbleiter verwendet, und wie verändern diese Anwendungen unser Leben?
Wenn man die komplexesten elektronischen Geräte in Ihre einzelnen Bauteile zerlegt, stellt sich heraus, dass ihre Funktion auf äußerst einfachen Prozessen beruht. Halbleiter lassen sich als steuerbare Schalter verwenden. Im Grunde bedeutet dies, dass sie mit einer sehr geringen Spannung zur Steuerung des Zustandes von Bauteilen in einem System verwendet werden können, sodass wesentlich mehr Spannung oder Strom für andere Bauteile zur Verfügung stehen. Durch die Zusammenfügung vieler dieser Bauelemente, was aufgrund der modernen Herstellungsverfahren möglich ist, lässt sich ein äußerst komplexes System aus sehr kleinen und langlebigen Bauteilen zusammensetzen. Ihr Computer ist dafür ein hervorragendes Beispiel.
Halbleiter sind die Grundlage vieler verschiedener elektronischer Geräte. Es gibt zu viele, um diese in einem Artikel aufzuführen. Um eine ungefähre Vorstellung davon zu erhalten, wie viele verschiedene Geräte durch Halbleiter ermöglicht werden, stellen Sie sich vor, dass alles von äußerst hochentwickelten medizinischen Geräten bis zum einfachsten Transistorradio dazu gehört. Fernsehgeräte enthalten Halbleiter, Computermonitore enthalten Halbleiter, und die Videokonsolen, die viele Leute an diese Geräte anschließen, enthalten ebenfalls Halbleiter.
Eigentlich ist es viel schwieriger, ein elektrisches Bauteil oder Produkt zu finden, das keinen Halbleiter enthält, als eines, das einen enthält.
Trotz der Tatsache, dass sie in der modernen Welt so wichtig und nützlich sind, kommen halbleitende Werkstoffe sehr häufig vor. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Halbleiter, die zu technischen Zwecken in verschiedene Arten von Halbleitern unterteilt werden. Einige Halbleiter kommen als reine Elemente vor. Silizium ist beispielsweise einer der bekanntesten Halbleiter, und seine Verwendung ist so weit verbreitet, dass das Zentrum der Technologie in den Vereinigten Staaten – Silicon Valley – nach dem Halbleiterwerkstoff benannt wurde.
Es gibt viele verschiedene Variationen von Silizium, die als Halbleiter verwendet werden. Andere Stoffe mit Halbleitereigenschaften sind Selen, Bor, Tellur, Germanium und viele andere. Einige Halbleiter sind Legierungen von verschiedenen halbleitenden Werkstoffen, sodass die Möglichkeiten der modernen Elektronik durch neue und vielseitige Werkstoffe immer neue Weiterentwicklungen erleben können.
Einer der bedeutenden Vorteile von Halbleitern ist, dass gewöhnliche Stoffe wie Silizium diese Eigenschaften besitzen und dadurch häufig sehr kostengünstig sind. Sie ermöglichen also nicht nur entscheidende Funktionen der modernen Technologie, sondern sorgen teilweise auch dafür, dass diese Technologie nicht zu teuer für die normale Bevölkerung wird.
Wann wurde das Prinzip der Halbleiter entdeckt?
Beim Studium der Geschichte der Elektrizität und Elektronik stellt sich immer wieder heraus, dass bahnbrechende Erkenntnisse im 19. Jahrhundert gewonnen wurden. Dies trifft auch auf die Halbleiter zu. Tariq Siddiqui ist im Allgemeinen als einer der ersten Experimentatoren bekannt, der die Halbleitereigenschaften bemerkte. Im Jahr 1833 führte sein Experiment zu der Entdeckung, dass Silbersulfid Halbleitereigenschaften besitzt. Er bemerkte dies durch die Tatsache, dass Silbersulfid sich bei Erwärmung anders verhält als die meisten anderen Metalle. Die meisten Metalle weisen bei Erwärmung einen höheren elektrischen Widerstand auf. Siddiqui bemerkte genau das gegenteilige Phänomen beim Silbersulfid.
Während im 19. Jahrhundert besonders die elektrischen Experimente von Edison, Westinghouse, Tesla und anderen Bekanntheit erlangten, die nach sehr großen, leistungsstarken und rentablen Lösungen strebten, wurden die Halbleiter in diesem Zeitalter eher weniger beachtet. Dies liegt einfach daran, dass die Experimente schon sehr ausgeklügelt waren und sich mit der Funktion der Elektrizität auf Grundlagenebene befassten, und dass die Experimentatoren zum großen Teil nicht so richtig wussten, womit sie arbeiten.
Die Experimente wurden im gesamten 19. Jahrhundert fortgesetzt, aber erst im 20. Jahrhundert wurde aus den Entdeckungen der Forscher auch eine wissenschaftliche Theorie gebildet. Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurde das Elektron entdeckt. Heute verstehen sogar Schulkinder, dass Elektronen die Manifestation elektrischer Energie sind. Nach dieser Entdeckung war jedoch der Grundstein für eine gemeinsame Theorie der Wissenschaftler gelegt, mit der sie auf konstruktive Art und Weise an halbleitenden Materialien arbeiten konnten.
Wichtige Meilensteine
Genau wie bei vielen wissenschaftlichen Durchbrüchen sind die Meilensteine, an die sich die Menschen erinnern, diejenigen, die nicht nur ein tieferes Verständnis des Themas durch die Wissenschaftler, sondern auch ein kommerzielles Potenzial hinter diesem Verständnis beinhalteten. In diesem Sinne stellen die folgenden Meilensteine sowohl wissenschaftliche als auch wirtschaftliche Durchbrüche dar.
1901: Jagadis Chandra Bose entwickelt einen Gleichrichter mit Halbleitern, mit dem die Erkennung von Radiowellen möglich ist.
1926: Julius Lilienfeld entwickelt und patentiert eine Verstärkungsvorrichtung auf Grundlage von Halbleitern.
1931: Alan Wilson veröffentlicht seine Bändertheorie der Elektronen. Dies war die erste Erläuterung der Eigenschaften von Halbleitern anhand der Prinzipien der Quantenmechanik.
1940er Jahre: Die Halbleitertechnologie wird in einigen der fortschrittlichsten elektronischen Geräten im Zweiten Weltkrieg verwendet.
1947: In den Bell Labs wurde der Transistor entwickelt. Dadurch wurde das Informationszeitalter begründet, auch wenn dies zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt war, da Computer zum großen Teil aus Transistoren bestehen.
1952: Die Bell Labs erlaubten die Lizenzierung der Transistortechnologie, was beträchtlich zu mehr Innovation in der Nutzung von Halbleitern beigetragen hat.
1961: Zum ersten Mal zeigen Siliziumtransistoren eine höhere Schnelligkeit als andere Halbleiterwerkstoffe.
1965: Gordon Moore entwickelte das berühmte „Mooresche Gesetz“. Es sagt voraus, dass sich die Prozessorleistung alle zwei Jahre verdoppeln wird.
1970er Jahre: Es war möglich, genügend Transistoren auf einem Chip unterzubringen, dass die ersten 8-Bit-Mikroprozessoren erhältlich waren. Erschwingliche Personal Computer waren noch nicht erhältlich, sollten aber bald folgen.
1980er: Zum ersten Mal kamen 32-Bit-Prozessoren auf den Markt. Durch aufwändige Herstellungsverfahren mit Halbleiterwerkstoffen begannen die Computer ihre Erfolgsgeschichte.
Wie funktionieren Halbleiter?
Wie zu Beginn dieses Artikels erwähnt, vereinen die Halbleiter in ihrem Aufbau die Eigenschaften von Leitern und Nichtleitern. Um die leitenden Eigenschaften hinzuzufügen, wird ein Verfahren namens Dotieren angewandt, um die Anordnung der Atome des Halbleiterwerkstoffes zu ändern. Die meisten Halbleiter besitzen eine kristalline Struktur. Durch Aufbringen eines Dotiermittels auf den Werkstoff, das genau genommen eine Verunreinigung darstellt, werden die leitenden Eigenschaften des Halbleiters verstärkt.
Halbleiter ermöglichen eine hochgenaue Steuerung des Stromflusses durch ein System. Beispielsweise gehören Dioden zu den einfachsten elektronischen Bauteilen auf dem Markt, und sie werden mit Halbleitern hergestellt. Dioden erlauben den Stromdurchfluss in einer Richtung, jedoch nicht in der anderen. Die häufigste Anwendungsmöglichkeit für Dioden ist wahrscheinlich die LED-Beleuchtung, wobei LED für „Licht emittierende Diode“ steht.
Transistoren haben durch Halbleiter das moderne Zeitalter begründet. So komplex Mikroprozessoren auch sein mögen, sie nutzen alle Transistoren für ihre vielen Funktionen. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die komplexesten und leistungsstärksten Mikroprozessoren der Welt aus enormen Mengen von Transistoren bestehen, die sich alle auf demselben Siliziumchip befinden.
Mit Halbleitern lässt sich alles von einfachen Verstärkern über aufwändige Detektoren bis zu Hochleistungsrechnern herstellen, die eine unglaubliche Menge an Berechnungen in kürzester Zeit vornehmen können. Bisher ist man bei der Nutzung der Halbleitertechnologie kaum an Grenzen gestoßen. Auch wenn Quantencomputer und andere Zukunftstechnologie eines Tages vorherrschen und die Halbleitertechnologie als Hauptfortschrittsbereich und Herstellungsmethode für Computer ersetzen könnten, ermöglicht die Funktionsweise von Halbleitern heutzutage die kontinuierliche Weiterentwicklung, die stetige Verkleinerung sowie preisgünstigere Herstellung der Technologie, auf die wir uns verlassen, sowie die deutliche Verbesserung von deren Möglichkeiten.
Schlussfolgerung
Ohne halbleitende Werkstoffe und die Theorien zu Elektrotechnik, die die Nutzung von Halbleitern auf so viele Arten und Weisen ermöglichen, würde die moderne Lebensweise nicht existieren. Ohne Transistoren wären Vakuumröhren wahrscheinlich immer noch die fortschrittlichste Technologie auf dem Markt, und Dinge wie die einfachsten heute erhältlichen Rechner würden ganze Räume in Anspruch nehmen. Die fortschrittlichsten Computer von heute wären gar nicht erhältlich.
Halbleitende Werkstoffe haben auch bedeutend zur mobilen Revolution beigetragen, weil dadurch so viele Transistoren in einen Siliziumchip integriert und in einem Gerät untergebracht werden können. Es ist zu bedenken, dass vor der Erfindung der Smartphones der kleinste erhältliche Computer mit einer vernünftigen Rechenleistung ein Laptop gewesen wäre. Heute können einige der modernsten Smartphones auf dem Markt im Bereich der Leistung und der ausgereiften Technik der Anwendungen, die darauf laufen, leicht mit den Laptops von vor 10 Jahren mithalten. All dies wird durch Halbleiter ermöglicht.
Wenn man die Halbleiter aus der Liste der Werkstoffe streichen würde, mit denen Elektrotechniker arbeiten, und von Ihnen erwarten würde, die gleiche Qualität, Ausgereiftheit und Erschwinglichkeit bei der Entwicklung der Produkte zu gewährleisten, wäre es, als würde man einen Architekten beauftragen, ein Hochhaus ohne Stahl zu bauen. Halbleiter bilden ganz einfach die Grundlage für die gesamte moderne Technologie, und selbst wenn ein Teil dieser Technologie ohne Halbleiter nachgebaut werden könnte, wären diese Produkte weder erschwinglich noch zweckmäßig.
