Halbleiter: Überblick

Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials wird in aller Regel festgelegt, indem die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen den Elektronenfluss gemessen wird. Metalle haben nur einen sehr geringen Widerstand aufzuweisen, wohingegen Holz oder Kunststoff eher als Isolatoren anstatt als Leiter bekannt sind. Ein Halbleiter befindet sich genau in der Mitte zwischen diesen beiden Extremen und bietet Wissenschaftlern und Ingenieuren eine wichtige Stütze bei der Erstellung komplexer Schaltungen und Geräte. Dabei kann die Fähigkeit von Halbleitern zu steuern, in welcher Form ein Strom an einem Gerät ankommt, von Wärme, Licht, Druck und der Induktion eines Magnetfelds beeinflusst werden. All diese Punkte ermöglichen komplexe Optionen für Schalt- und Verstärkerfunktionen innerhalb von Schaltkreisen.

Halbleiter bilden geradezu das Herzstück der modernen Industrie und werden uns auch weiterhin bei der Gestaltung unserer Arbeit und Freizeit behilflich sein. So verwenden zum Beispiel Mikroprozessoren diverse Halbleiter (und machen somit die Nutzung von

PCs überhaupt erst möglich) in Form von Transistoren, wie sie auch in Mobiltelefonen und vielen anderen Geräten zum Einsatz kommen. Der wesentliche Punkt, der einen Halbleiter besonders auszeichnet, ist die Möglichkeit, ihn zu „dotieren“ bzw. „mit einem Gatter zu versehen“, um seine Leitfähigkeit zu steigern – dabei wird das Muster festgelegt, in dem der elektrische Strom später fließen soll.

 

Die Geschichte von Halbleitern

Die Anfänge der Halbleiter-Technologie sind auf die Ergebnisse zahlreicher Experimente von einigen der großen Denker des neunzehnten Jahrhunderts zurückzuführen. Michael Faraday (1791-1867) erhitzte Silbersulfit und stellte fest, dass der Widerstand des Materials etwas zurückging. Auf dieselbe Art und Weise erkannte A.E Becqurel (1820-1891) – ein französischer Physiker, der vor allen Dingen für seine Arbeiten in den Bereichen Optik und Elektrizität bekannt ist –, dass eine elektrische Spannung vorhanden ist, wenn ein Licht durch feste und flüssige Elektrolyten scheint. Dieser „photovoltaische Effekt“, wie er genannt wird, ist 1876 auch William Grylls Adams (1836-1915) und Richard Evans Day aufgefallen, deren Experimente mit Selen und Platin den Weg für die Entwicklung moderner Technologien (darunter Solar-Energie) ebneten.

Im Laufe des zwanzigsten Jahrhunderts kamen noch zahlreiche weitere Meilensteine hinsichtlich der Verbesserung und der Verwendung von Halbleitern zum Vorschein. 1901, dem letzten Jahr des sogenannten Viktorianischen Zeitalters, erfand Jagadis Chadra Bose ein Halbleitergerät, das er als absolutes Non-plus-Ultra empfand. Es war darauf ausgelegt, Radiowellen zu registrieren, und sollte das erste patentierte Gerät mit Halbleitern sein.

Die wohl bahnbrechendsten Entdeckungen gehen jedoch auf John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley und das Jahr 1947 zurück. Basierend auf den Arbeiten vorangegangener Wissenschaftler und neuartigen Theorien bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entwickelten diese drei Männer den Transistor von Bell Laboratories - und veränderten mit einem Schlag die Welt. Von da an war es möglich, elektronische Signale und elektrischen Strom mit einem kompakten Halbleitergerät zu schalten und zu verstärken, wo früher noch Ventile und andere komplexe Apparate erforderlich waren. Transistoren – und ihre integrierten Halbleiter – sind zu einem grundlegenden Teil unseres modernen Lebens geworden und ebneten den Weg für Radios, Taschenrechner und – nicht zuletzt – für die Computer-Revolution.

 

Überblick über die verschiedenen Halbleiter

 

Näherungssensor

Ein Näherungssensor ist ein Gerät zur Erkennung nahe gelegener Gegenstände. Im Gegensatz zu einem Drucksensor benötigen Näherungssensoren keinerlei physischen Kontakt, um einen Gegenstand zu erkennen. Vielmehr emittiert ein Näherungssensor einen elektromagnetischen Strahl (Infrarot) und wertet im Anschluss diverse Abweichungen in dem Feld aus, sobald das Signal wieder zu dem Gerät gelangt. Je nachdem, welche Materialien der Sensor erkennen soll, können unterschiedliche Sensoren erforderlich sein. Besteht das Ziel zum Beispiel aus Metall, wird ein induktiver Näherungssensor benötigt. Ist das Ziel hingegen aus Kunststoff, wird ein photoelektrischer Näherungssensor mit einem Photodetektor benötigt.

Neben zahlreichen Anwendungen im industriellen Bereich als Teil der Überwachung von Maschinen zur Messung der Abweichungen zwischen Wellen und Stützlagern, können Näherungssensoren auch in Dampfturbinen und ähnlichem eingesetzt werden.

 

Halbleiter

Ursprünglich entwickelt, um Steuer- und Schaltfunktionen in elektronische Schaltkreise einzufügen, konnten Halbleiter die sogenannte Ventil-Technologie ablösen und die Größe moderner elektronischer Geräte bedeutend verringern – und zugleich deren Reichweite deutlich vergrößern. Halbleiter zählen als der Grundstein der Transistor-Technologie (sogenannte Solid State Technology bzw. Festkörpertechnologie) und sind ebenso unerlässlich für Computer-Speicher wie für die Verarbeitung und Verstärkung von Audiosignalen.

 

Transistoren

Transistoren sind Halbleiterkomponenten zur Regelung und Schaltung von Strom in Abhängigkeit seiner Funktion innerhalb eines Schaltkreises. Einfach ausgedrückt: sie können den Ausgang eines Signals relativ zu seinem Eingang steuern – und können somit als Verstärker eingesetzt werden. Ebenso können sie als Folge der Vorgänge anderer Bestandteile eines Schaltkreises den Strom in der jeweiligen Schaltung an- und ausschalten.

Transistoren sind in zwei Ausführungen erhältlich. Die erste Ausführung wird auch als bipolarer Transistor bezeichnet und verfügt über drei Anschlüsse – Basis, Kollektor und Emitter. Fließt ein Strom von dem Basis-Anschluss zu dem Emitter, steuert bzw. schaltet der bipolare Transistor einen größeren Strom ein. Die zweite Variante, der sogenannte Feldeffekttransistor, verfügt über Gate-, Source- und Drain-Anschlüsse. Eine Spannung, die an dem Gate-Anschluss anliegt, kann zur Steuerung des Stroms zwischen den Gate- und Drain-Anschlüssen eingesetzt werden und eignet sich somit hervorragend für Anwendungen mit geringer Leistung, wie zum Beispiel bei Logikgattern.

 

Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren sind elektromechanische Komponenten, die heutzutage in einer Vielzahl verschiedenster Kommunikations- und Computer-Geräte zum Einsatz kommen. Smartphones, beispielsweise, können mit Beschleunigungssensoren Bewegungen erkennen und die Ausrichtung des Bildschirms an die Position des Geräts selbst anpassen.

Wie der Name schon sagt, messen Beschleunigungssensoren sogenannte Beschleunigungskräfte. Durch die Messung der statischen Beschleunigung durch die Gravitationskraft kann ein Gerät – zum Beispiel ein Mobiltelefon oder ein Laptop – Informationen über seinen Winkel zur Erdoberfläche gewinnen. Kommt dann die Fähigkeit zur Messung der dynamischen Beschleunigung hinzu, können Geräte feststellen, inwiefern sie sich neigen und mit welcher Geschwindigkeit sie sich bewegen.

Aktuelle Entwicklungen zeigen, dass viele große Hersteller Beschleunigungssensoren in Laptops integrieren. Sobald dieser dann eine plötzliche, brachiale Beschleunigung registriert, schaltet der Laptop die Festplatte ab um mögliche Schäden so gering wie nur möglich zu halten.

Beschleunigungssensoren verwenden oftmals Kristallstrukturen, die ausgesprochen sensibel auf Änderungen der Beschleunigung oder der Ausrichtung reagieren. Der sogenannte piezoelektrische Effekt erzeugt eine Spannung, die im Anschluss von der Software des jeweiligen Geräts in sichtbare Ergebnisse umgewandelt wird.

 

Mikroprozessor

An vorderster Front der „Computer-Revolution“ bilden Mikroprozessoren das „Gehirn“ jedes modernen Computer-Systems. Mikroprozessoren sind im Grunde eine Ansammlung an Transistoren auf einem Chip und übernehmen sämtliche Datenverarbeitungsvorgänge und Logikfunktionen des Geräts, in dem sie sich befinden.

Tatsächlich ist ein solcher Chip gleich einem integrierten Schaltkreis mit einer geringen Menge Silizium (das Grundmaterial eines jeden Halbleiters), auf das die Transistoren geätzt werden. Selbst bei einem vergleichsweise „einfachen“ Gerät können das schnell mal ein paar Tausend Transistoren sein. Komplexere und leistungsstärkere Chips umfassen jedoch oftmals mehrere Millionen Transistoren.

Dabei werden diese Chips üblicherweise danach bewertet, wie viele Anweisungen sie pro Sekunde bearbeiten können. In der Fachsprache heißt diese Größe „MIPS“ – Millions of Instructions per Second. Eng mit dieser Größe verwandt ist die sogenannte Taktrate – bzw. die größtmögliche Geschwindigkeit, mit der ein Chip laufen kann. Bei modernen PCs wird sie in GHz angegeben. Dabei beschreibt sie, wie viele Vorgänge der Chip innerhalb einer bestimmten Zeit verarbeiten kann. So kann beispielsweise ein Chip mit einer Taktrate von 3,5 GHz mühelos 3,5 Milliarden Vorgänge pro Sekunde verarbeiten.

Mikroprozessoren kommen darüber hinaus auch oftmals in elektrischen Geräten und industriellen Anwendungen zum Einsatz, wo sie die Outputs der zahlreichen unterschiedlichen Geräte steuern und regeln können.

 

Zenerdiode

Anders als herkömmliche Halbleiter-Dioden, die den Fluss von Elektronen lediglich in eine Richtung erlauben, ermöglicht eine Zenerdiode den Stromfluss in beide Richtungen. Voraussetzung hierfür ist lediglich eine ausreichend hohe Spannung.

Diese Schwellenspannung wird auch als Durchschlagspannung oder Zener-Spannung bezeichnet.

Herkömmliche Dioden verfügen ebenfalls über eine solche Zener-Spannung (bzw. über einen Widerstand gegen einen umgekehrten Stromfluss), doch fließt ein umgekehrter Strom durch den Schaltkreis, der diesen Schwellenwert überschreitet, ist die jeweilige Diode irreparabel beschädigt. Bei einer Zenerdiode ist dieser Schwellenwert bedeutend geringer (oftmals nicht viel mehr als 2,4 Volt). Wird dann ein Strom in umgekehrter Richtung durch die Diode geleitet, findet ein „kontrollierter Durchschlag“ statt, bei dem Diode nicht beschädigt wird. Dieses Prinzip gilt immer – ganz unabhängig davon, in welchem Mengenverhältnis die Umkehrspannung zu der Zener-Spannung steht. Dabei ist der Spannungsabfall immer gleich der Zener-Spannung der Diode – nicht zuletzt deshalb werden Zenerdioden oftmals zur Regelung von Schaltungen eingesetzt.

 

Wichtige technische Punkte eines Halbleiters.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Halbleiter ein Material, das teilweise einen Stromfluss zulässt. Physikalisch gesehen liegen Halbleiter in der Mitte zwischen Isolatoren (d. h. Materialien mit geringer oder keinerlei elektrischer Leitfähigkeit) und Leitern (dem entsprechenden Gegenstück). Um dieses Konzept besser zu verstehen, betrachten wir die Eigenschaften und die Anordnung von Elektronen in einem Atom. Elektronen sind stets so angeordnet, dass sie eine Hülle aus vielen verschiedenen Schalen bilden. Die äußerste Schale dieser Hülle wird auch als „Valenzschale“ bezeichnet. Und genau diese Elektronen auf der äußersten Schale gehen Bindungen mit benachbarten Atomen ein. Bei Materialien, die sehr häufig für Halbleiter verwendet werden (darunter Silizium), besitzt diese Valenzschale vier Elektronen. Sind die Atome auf jeder Seite der Elektronen gleichwertig, bilden sie eine bestimmte Struktur: Die sogenannten „Kristalle“. Das kann man sich am besten wie ein „Gitter“ voller Atome vorstellen. Dabei sind diese Atome in einem Muster miteinander verbunden, das stark an eine Art Drahtgeflecht erinnert. Alle vier Elektronen eines solchen Atoms werden dadurch mit einem benachbarten Atom geteilt – oder anders ausgedrückt: jedes Silizium-Atom ist über die Elektronen der äußersten Schale mit vier anderen Atomen gekoppelt.

Die physikalische Struktur reiner Siliziumkristalle lässt erahnen, dass das Material nur eine vergleichsweise geringe Leitfähigkeit aufweist. Bei dem Vorgang, bei dem die Kristalle aus technologischer Sicht aufgewertet werden, spricht man auch von „dotieren“. Dabei wird ein „Dotierstoff“ zu den Kristallen hinzugefügt, der die Herstellung moderner elektronischer Geräte letztendlich überhaupt erst möglich macht.

Mit diesen Dotierstoffen können zwei verschiedene Halbleiter hergestellt werden – Typ N und Typ P. Halbleiter des Typs N entstehen, wenn ein Dotierstoff mit fünf Elektronen in seiner Valenzschale hinzugegeben wird. Diese Elektronen koppeln sich mit den umliegenden Atomen der Struktur des Kristalls, während das „übrige“ Elektron jedoch ohne Bindung zu den angrenzenden Atomen verbleibt. Diese „freien Elektronen“ verhalten sich wie Elektronen in hochgradig leitfähigem Material (beispielsweise Kupfer).

Halbleiter des Typs P entstehen hingegen, wenn der Dotierstoff – zum Beispiel Bor – drei Elektronen in seiner Valenzschale aufweist. Selbst wenn nur geringe Mengen zu dem Siliziumkristall hinzugefügt werden, koppelt sich ein solches Atom mit vier Silizium-Atomen. Der Unterschied zwischen diesen Halbleitern und Halbleitern des Typs N besteht darin, dass sich alle drei Bor-Elektronen mit dem Silizium verbinden können, ohne dass ein viertes Elektron übrig bleibt – so entsteht sozusagen ein „Loch“. Die physikalischen Eigenschaften dieses Lochs führen dazu, dass Elektronen dazu verleitet werden, diese offene Lücke zu schließen. Doch ist die erste Lücke erstmal verschlossen, hinterlässt das jeweilige Elektron eine Lücke an einer anderen Stelle. Ein Merkmal von Halbleitern des Typs N ist also, dass sich die Elektronen in dem Kristall permanent in Bewegung befinden, um die jeweils auftretenden Lücken zu schließen.

Sobald N- bzw. P-Halbleiter dotiert worden sind und eine Spannung angelegt wird, kann ein Strom aus denselben grundlegenden physikalischen Prinzipien fließen, die auch bei „natürlichen“ Leitern gelten. Das gleichzeitige „Drücken und Ziehen“ an den Elektronen durch die Spannung führt dazu, dass die Elektronen in einem zielgerichteten Fluss angeordnet werden, der für viele verschiedene Anwendungen verwendet werden kann.

Besonders für Wissenschaftler und Entwickler, die an einem elektrischen oder einem elektronischen Entwurf arbeiten, bieten diese kompakten Bauteile mit den unterschiedlichsten Outputs und einer Schaltfunktion einen gewaltigen Vorteil. Betrachten wir beispielsweise Computer. Das „Hirn“ eines jeden Computers besteht aus diversen Chips – d. h. hauptsächlich elektronischen Komponenten (Transistoren), die auf eine halbleitende Silizium-Schicht geätzt sind. Die Fähigkeit, Strom zu „schalten“, wird durch Logikgatter erzielt (Teil einer digitalen Schaltung, die die Reihenfolge von Vorgängen festlegen, die als Folge bestimmter anderer Vorgänge stattfinden; man spricht dabei auch oftmals von „Booleschen Gattern“). Hinzu kommt die Fähigkeit hinzu, Informationen zu speichern und abzurufen, und schon ist ein Computer in der Lage, Daten zu verarbeiten. Ohne diese „Festkörpertechnologie“ können diese Funktionen lediglich von der kostspieligen und schwerfälligen Ventil-Technologie übernommen werden. Diese Technologie kam insbesondere vor der „Halbleiter-Revolution“ zum Einsatz.

 

Halbleiter und deren Herstellung

Die meisten Halbleiter werden in Form von Silizium-Wafern hergestellt. Dabei wird im Zuge der Herstellung ein gereinigtes Polykristallin zunächst so lange erhitzt, bis es schmilzt; im nächsten Schritt wird eine geringe Menge festes Silizium zu der geschmolzenen Masse hinzugegeben. Nachdem das feste Silizium wieder aus der Flüssigkeit genommen wird, kühlt es ab und bildet einen einzelnen Kristall. Daraufhin wird dieser Kristall – jetzt auch als „Barren“ bezeichnet – nach und nach soweit geschliffen, bis die einzelnen Durchmesser alle den gleichen Wert annehmen. Ist dieser Schritt abgeschlossen, wird das Silizium in sehr kleine Scheiben (die sogenannten Wafers) geschnitten.

Im Anschluss werden die Wafer in einen sogenannten Reinraum transportiert (d. h. in einen Bereich, bei dem sichergestellt ist, dass die Wafer nicht die kleinste Verunreinigung durch Umwelteinflüsse erleiden) und auf das Ätzen auf integrierte Schaltkreise vorbereitet. Das ist der Prozess, bei dem das vorgesehene Muster mittels fotoresistenter Techniken in den Halbleiter „gebacken“ wird und die Dotierung erfolgt (d. h. Stoffe werden hinzugegeben, die die Leitfähigkeit des Siliziums verändern).