Was ist ein Halbleiter?

Substanzen, die Elektrizität leiten, werden als Leiter bezeichnet, während Substanzen, die keinen Strom leiten, als Isolatoren bezeichnet werden. Halbleiter haben einzigartige Eigenschaften, die für beides zutreffen, d. h. sie können unter bestimmten Bedingungen Elektrizität leiten und unter anderen Widerstand leisten. Diese einzigartige Klassifizierung macht Halbleiter ideal für Technologien wie Computerchips, Chips für künstliche Intelligenz (KI) und Geräte für das Internet der Dinge (IoT), die darauf angewiesen sind, eine große Menge an Strom durch eine kleine Fläche zu leiten. 

Bei den meisten modernen Technologien funktionieren Halbleiter wie winzige elektrische Schalter, die sich immer wieder aus- und einschalten, um den Stromfluss zu ermöglichen. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters – die Leichtigkeit oder Schwierigkeit, mit der ein elektrischer Strom durch ihn fließt – variiert je nach Strom und Spannung.

Halbleiter sind in vielen Branchen gängig, z. B. in PCs, Heimelektronik, im Automobilbereich, in der industriellen Fertigung und vielen mehr. Laut einem aktuellen Bericht der Semiconductor Industry Association (SIA) ist der Halbleiterumsatz von 139 Milliarden US-Dollar im Jahr 2001 auf 526 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 gestiegen. Dieses Wachstum entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 6 %.¹

Die schnelle Innovation der Halbleiterbranche kann größtenteils auf das Mooresche Gesetz zurückgeführt werden: die Regel, dass die Geschwindigkeit und Funktionen von Computern alle zwei Jahre verdoppelt werden. Im Bereich der Halbleiterbranche gilt das Mooresche Gesetz für die Anzahl der Transistoren, die ein Mikrochip enthalten muss, um den wachsenden Anforderungen von Computergeräten gerecht zu werden. Führende Hersteller suchen ständig nach Möglichkeiten, die Anzahl der Transistoren alle zwei Jahre zu verdoppeln, um Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu gewährleisten.

Die meisten Halbleiter bestehen aufgrund ihrer einzigartigen atomaren Eigenschaften aus Kristallen. Während die meisten leitenden Elemente ein einzelnes Elektron in ihrer äußersten Schicht aufweisen, haben Halbleiter vier. Dies und andere Faktoren machen Halbleiterkristalle (typischerweise Silizium) perfekt für die Steuerung der elektrischen Ströme, die komplexen, modernen technologischen Geräten zugrunde liegen.

Um den Stromfluss durch elektronische Schaltkreise und Geräte zu steuern, manipulieren Ingenieure den Elektronenfluss durch Halbleiter, indem sie Bereiche mit positiven und negativen Ladungen erzeugen – ein Prozess, der als Dotierung bekannt ist.

Bei der Herstellung von Halbleitern ist Dotierung ein Prozess, bei dem Verunreinigungen, auch Verunreinigungsatome genannt, absichtlich in das Glasgitter eines Halbleiters eingebracht werden, um seine elektrischen Eigenschaften zu verändern. Durch das Einbringen von Dotieratomen können Ingenieure das Material mehr oder weniger leitend machen. Es gibt zwei Arten von Dotierung: N-Typ und P-Typ.

• N-Typ-Dotierung: Bei der N-Typ-Dotierung fügen Ingenieure Elemente hinzu, die mehr Valenzelektronen haben als das Wirtsmaterial. Diese Änderung erhöht die Anzahl der freien Ladungsträger im Atom, wodurch das Halbleitermaterial leitfähiger wird als zuvor.

• P-Typ-Dotierung: Die P-Typ-Dotierung macht das Material ebenfalls leitfähiger, aber mit einer etwas anderen Methode. Bei der P-Dotierung werden Elemente mit weniger Valenzelektronen als das Wirtsmaterial hinzugefügt. Dadurch entsteht ein Bereich, der in der Informatik als „Loch“ bezeichnet wird: eine Stelle, an der Elektronen fehlen, die typischerweise Ladungen transportieren und die Leitfähigkeit erhöhen.

Halbleiter werden in der Regel in zwei Haupttypen eingeteilt: intrinsisch und extrinsisch. Sehen wir uns die Unterschiede genauer an.

• Intrinsische Halbleiter: Intrinsische Halbleiter sind Halbleiter, die aus einem einzigen, reinen Material bestehen, das in keiner Weise manipuliert wurde. Intrinsische Halbleiter werden oft als „elementare“ Halbleiter bezeichnet, da viele von ihnen bekannte Elemente des Periodensystems sind, wie z. B. Kohlenstoff, Bor, Silizium und Germanium.

• Extrinsische Halbleiter: Extrinsische Halbleiter sind Halbleiter, die durch Dotierung, also eine absichtliche Verunreinigung, verändert wurden. Hochfrequenz-Halbleiter (HF) gelten beispielsweise als extrinsisch, da sie Materialien wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) und Silizium (Si) kombinieren, die dafür sorgen, dass Halbleiter bei höheren Funkfrequenzen arbeiten.

Halbleiterbauelemente sind elektronische Komponenten, die Leiter und Isolatoren verwenden, um den elektrischen Stromfluss zu steuern. Die beliebteste Art von Halbleiterbauelementen sind die weit verbreiteten Transistoren – eine kleine, langlebige elektronische Komponente, die modernste Elektronik antreibt.

Bis zur Erfindung der Transistoren im Jahr 1947 wurden Vakuumröhren häufig für den gleichen Zweck verwendet. Transistoren erwiesen sich als kompakter und effizienter als Vakuumröhren und ersetzten diese schnell. Heute werden Transistoren in einer Vielzahl von Geräten verwendet, darunter Computerchips, Mikroprozessoren, Autos, Robotergeräte und mehr. Transistoren sind hochflexibel; Sie können nicht nur als Leiter und Isolatoren, sondern auch als Schalter, Verstärker und Gleichrichter fungieren.

• Schalter: Komponenten in Halbleitergeräten, die ein- oder ausgeschaltet werden, um den Fluss von elektrischem Strom zu steuern.

• Verstärker: Schaltungen, die die Größe eines Eingabesignals in einem elektronischen Gerät erhöhen.

• Gleichrichter: Gleichrichter, oder Gleichrichterdioden, sind kleine Halbleiterbauelemente, die den Strom von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandeln, indem sie den Strom in eine Richtung fließen lassen.

Halbleiter werden in Foundrys hergestellt, dabei handelt es sich um hochspezialisierte Unternehmen, die sich ausschließlich auf die Halbleiterfertigung konzentrieren und Design und Vertrieb anderen überlassen. Aufgrund einer Reihe von Faktoren befinden sich die meisten Foundrys weltweit in Taiwan.

Heute werden 60 % der weltweiten Halbleiterchips und mehr als 90 % der hochentwickelten Chips auf der relativ kleinen Insel Taiwan hergestellt.² Taiwans hochqualifizierte Arbeitskräfte, die Erfindung des Foundry-Modells für die Herstellung von Halbleitern und andere Faktoren haben dazu geführt, dass es den Halbleitermarkt nahezu dominiert.

Die vielleicht bekannteste Foundry der Welt ist die 1987 gegründete Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), die die fortschrittlichsten Chips der Welt für Kunden wie Apple und NVIDIA herstellt. 

Heute ist TSMC durch seine Dominanz auf dem Halbleitermarkt ein wichtiger Teil der globalen Lieferkette für Halbleiter. Infolgedessen ist Taiwan zu einem geopolitischen Mittelpunkt in den außenpolitischen Ergebnissen großer Länder wie China und den Vereinigten Staaten geworden.

Halbleiter werden durch einen strengen Prozess hergestellt, der als Wafer-Fertigung oder Wafer-Fab bekannt ist und mit dem Schneiden von Halbleitermaterial in ein dünnes Segment beginnt. Silicium-Wafer sind die häufigsten Wafer, werden aber auch aus Galliumarsenid, Siliciumkarbonid, Germanium und mehr hergestellt.

Nachdem der Wafer erstellt wurde, wird er durch eine Reihe verschiedener, hochspezialisierter Maschinen poliert und geschliffen. In vier aufwändigen Schritten wird ein integrierter Schaltkreis (IC) auf seiner Oberfläche installiert.

• Schritt 1. Oxidation: Bevor ein IC eingebaut werden kann, muss ein Wafer mit hochreinem, deionisiertem Wasser vorgereinigt werden. Einige Arten von Wafern, insbesondere Silicium-Wafer, werden in diesem Schritt erwärmt und reinem Sauerstoff ausgesetzt, eine Methode, die als thermische Oxidierung bekannt ist.

• Schritt 2. Maskierung: Beim Maskierungsschritt der Halbleiterfertigung werden Fotomasken – hochpräzise Schablonen – verwendet, um Muster auf den Wafern zu erzeugen. Dieser Vorgang wird als Fotolithografie bezeichnet. Jede Maske ist von entscheidender Bedeutung für die Definition der Schaltung des Halbleiters und dessen effektive Funktionsweise als integrierter Schaltkreis (IC).

• Schritt 3. Ätzen: Beim Ätzen im Herstellungsprozess wird überschüssiges Material vom Wafer entfernt, um ihm ein gewünschtes Muster oder eine bestimmte Form zu geben. Ähnlich wie das Maskieren ist das Ätzen wichtig für die Herstellung von integrierten Schaltungen (ICs) und anderen Bauelementen mit einem bestimmten Zweck, die auf der Oberfläche des Wafers befestigt werden müssen.

• Schritt 4. Dotierung: Schließlich werden extrinsische Halbleitermaterialien erzeugt, indem ihrer Kristallstruktur Verunreinigungen hinzugefügt werden, um ihre elektrischen Eigenschaften zu verändern. Zu den in diesem Schritt verwendeten Verbindungen gehören Galliumarsenid, Indiumantimonid und viele Arten von Oxiden.

In den letzten 75 Jahren sind Halbleiter zur Grundlage vieler moderner Technologien geworden. Von den Anfängen der Datenverarbeitung bis hin zur Verbreitung des Internets, der sozialen Medien, der mobile Technologie und der KI haben sie eine kritische Rolle dabei gespielt, dass elektronische Geräte funktionieren. Hier sind einige der wichtigsten Nutzen von Halbleitern.

Halbleiter ermöglichen die Verwendung modernster elektronischer Geräte und bieten daher branchenübergreifende Anwendungsfälle. Hier sind einige der häufigsten.

Halbleiter und Halbleiterbauelemente wie integrierte Schaltkreise (ICs), Sensoren und Halbleiterchips werden in vielen verschiedenen Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Von Smartphones und Laptops bis hin zu intelligenten Haushaltsgeräten, virtuellen Assistenten, Fernsehern und mehr: Halbleiter bilden die Basis für technologische Geräte, auf die sich die meisten Verbraucher sowohl im privaten als auch im beruflichen Leben verlassen.

Heutige Autos verfügen über viele Funktionen, die Menschen von ihren Smartphones und PCs erwarten, z. B. Spracherkennung, drahtlose Konnektivität und die Möglichkeit, verschiedene Arten von Medien zu streamen. Halbleiterchips unterstützen die Technologien, die Autos einsetzen, um diese Funktionen zu ermöglichen. So können die Passagiere auf das Internet zugreifen, sich Sprachnachrichten und Textnachrichten vorlesen lassen, Anweisungen erhalten und vieles mehr.

Halbleiter und Halbleiterchips sind in der Medizinbranche nicht mehr wegzudenken und für den Betrieb einer Vielzahl medizinischer Geräte und Anwendungen unerlässlich. Halbleiter betreiben Geräte, die medizinische Bildgebung, Diagnose, Patientenüberwachung und mehr ermöglichen. So können wichtige Daten, die zur Verbesserung der Patientenbehandlung und der Ergebnisse beitragen, nahezu in Echtzeit übertragen werden.

Smart Manufacturing, auch bekannt als Industrie 4.0, ist die Integration neuer digitaler Technologien wie das Internet der Dinge (IoT), KI und Cloud Computing in Fertigungsprozesse. In der intelligenten Fertigung unterstützen Halbleiter und Halbleiterchips fortschrittliche Sensoren, eingebettete Software und Robotertechnik, die Daten in einer Fabrikumgebung sammeln und analysieren und so zur Rationalisierung veralteter, ineffizienter Prozesse beitragen.