Halbleitertechnik

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Einleitung

Halbleitertechnik, die Anwendung von Halbleitern in Technik und Wissenschaft. Sie wurde möglich, nachdem im Jahr 1948 der Transistor erfunden wurde. Die grundlegenden Bauelemente der Halbleitertechnik sind im Prinzip die Diode und der Transistor, die heute oft in großer Anzahl zu integrierten Schaltungen zusammengefasst sind.

Halbleiter werden in den verschiedensten Bereichen angewandt, vor allem in Computern, z. B. zur Datenverarbeitung, und in technischen Steuerungs-, Überwachungs- und anderen Vorrichtungen. Zentrales Bauelement ist hier der Mikroprozessor. Auch die Funktion vieler Geräte, die man im Alltag verwendet, beruht auf dem Einsatz von Halbleitern, darunter Digitaluhren, Digitalthermometer, Bauteile der Kraftfahrzeugelektronik sowie Küchengeräte mit Zeit- und/oder Temperatursteuerung. Man kann die Anwendungsgebiete der Halbleiter grob in drei Kategorien unterteilen: Elektrotechnik, Informationsverarbeitung und Optoelektronik.

Gegenüber den früher üblichen elektrischen bzw. elektromechanischen Bauteilen haben die Halbleiterbauelemente folgende Vorteile: universelle Anwendbarkeit (viele integrierte Schaltungen können durch Neuprogrammieren an andere Gegebenheiten angepasst werden), geringerer Preis, höhere Funktionssicherheit und geringere Stromaufnahme. Viele moderne Anwendungen wären ohne Halbleiterbauelemente überhaupt nicht möglich, so die modernen Computer mit einer Rechenleistung, die früher unvorstellbar war. Beispielsweise funktionierte der erste frei programmierbare Computer, entwickelt in den vierziger Jahren von Konrad Zuse, noch mit Relais und Vakuumröhren.

Zur Untersuchung von Halbleiterbauelementen hat eine Forschergruppe der Universität Karlsruhe eine Methode entwickelt, mit der sich extrem kurze Lichtblitze erzeugen lassen – im Bereich von etwa fünf Femtosekunden (= 5 billiardstel Sekunden). Dadurch wird es möglich, Stoßprozesse von Elektronen innerhalb eines Halbleiters zu untersuchen. Diese, in äußerst kurzer Zeit ablaufenden Vorgänge sind beispielsweise für die Geschwindigkeit bei der Datenübertragung von entscheidender Bedeutung.

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Herstellung

Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen kommen verschiedene Methoden zur Anwendung. Da der Trend zu immer kleineren und schnelleren Elektronikbausteinen geht, setzen Hersteller häufig die so genannte Photolithographie ein. Sie ist im Prinzip mit der Erzeugung einer Photographie vergleichbar. Eine Maske, die alle notwendigen Strukturen enthält, die z. B. auf den Chip gelangen sollen, dient als Negativ. Das „Negativbild“ wird mit Hilfe von Laserlicht auf den Chip übertragen, der mit einem lichtempfindlichen Film überzogen ist. Anschließend ätzt man die Schaltungsstrukturen in einem Säurebad heraus. Je kürzer die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts ist, desto feinere Strukturen lassen sich erzeugen.

Technisch sind diesem Verfahren Grenzen gesetzt, denn ab einer gewissen Wellenlänge lässt sich Laserlicht nicht mehr mit herkömmlichen Linsensystemen bündeln. Theoretisch bestünde die Möglichkeit, paarweise verschränkte Photonen einzusetzen. Beide Photonen eines Paares ließen sich mit herkömmlichen Linsen auf den Chip fokussieren. Der Theorie zufolge müssten sie sich auf dem Chip nicht wie zwei, sondern wie ein Teilchen mit doppelter Energie verhalten. Doppelte Energie ist gleichbedeutend mit halber Wellenlänge. Durch diesen Trick hätte man also die Wellenlänge verkürzt, die Auflösung verdoppelt und könnte so noch kleinere Strukturen auf dem Chip platzieren.

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Die wichtigsten modernen Halbleiterbauelemente

Schon erwähnt wurden Diode, Transistor und integrierte Schaltungen.

Thyristor: Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Ströme; hier hat er weitgehend das Relais und das Schütz ersetzt. Mit einer Spezialform des Thyristors, dem Triac, werden Wechselströme geschaltet.

Leuchtdiode (LED): Sie dient zur Anzeige („Display”) bei den verschiedensten Geräten, darunter Steuerungen, Uhren und Zähler aller Art. Wegen ihrer relativ hohen Stromaufnahme werden in letzter Zeit jedoch meist Flüssigkristallanzeigen verwendet, die außerdem besser strukturierte und auch mehrfarbige Anzeigen erlauben.

Photodiode und Phototransistor: Ihre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt; sie lassen in Sperrrichtung einen Strom fließen, wenn Licht auf sie auftrifft. Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen, ferner Photoelemente zur Bestimmung der Lichtstärke in der Photographie und beim Film. Den Empfangsbildröhren von Video- und Fernsehkameras (siehe Fernsehen) liegt dasselbe Funktionsprinzip zugrunde. In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip geführt, der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt.

Solarzelle: Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode; jedoch wird hier die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt. Besonders in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung werden Solarzellen aus Gründen des Umweltschutzes zunehmend zur Deckung des Energiebedarfs herangezogen (siehe Sonnenenergie).

Halbleiter-Detektor bzw. -Zähler: Sie werden für den Nachweis radioaktiver Strahlungen und die Messung von deren Intensität eingesetzt. Sie wirken im Prinzip wie die Photodiode, sind aber durch die Verwendung spezieller Halbleitermaterialien im Bereich kürzerer Wellenlängen als denen des sichtbaren Lichts empfindlich.

Halbleiter-Laser: Dies ist ein Festkörper-Laser, bei dem eine besonders geringe Baugröße möglich ist. In der Halbleiter-Übergangsschicht in seinem Gallium-Arsenid-Kristall wird elektrischer Strom direkt in Lichtstrahlung (meist Infrarot) umgesetzt. Halbleiter-Laser werden vor allem in der Nachrichtentechnik eingesetzt, außerdem im Lesekopf von Compact-Disc-Abspielgeräten. Halbleiter-Laser, die blaues Licht anstatt rotes aussenden, sind zur Zeit ein besonderer Gegenstand der Forschung. In beispielsweise einem CD-Spieler eingebaut könnte ein blauer Laser viermal mehr Informationen lesen als ein herkömmlicher roter Laser. Die Technik blauer Laser ist für kommerzielle Anwendungen leider noch viel zu störanfällig und zu kostenintensiv.

Halbleiter-Thermometer: Sie nutzen die Tatsache aus, dass die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern relativ stark von der Temperatur abhängt, vor allem im Bereich der gewohnten Temperaturen. Für die Berechnung und Anzeige des Temperaturwerts wird das Thermoelement mit einer entsprechenden integrierten Schaltung kombiniert.

Halbleiter-Thermoelement: Bei ihm wird, wie bei den normalen Thermoelementen, der Seebeck-Effekt ausgenutzt.

Halbleiter-Kühlelement (Peltier-Element): Seine Funktion beruht auf dem Peltier-Effekt. Dieser ist die Umkehrung des Seebeck-Effekts und besteht darin, dass ein Stromfluss durch zwei Lötstellen, die zwei verschiedene Materialien miteinander verbinden, eine Abkühlung der einen und eine Erwärmung der anderen bewirkt. Wegen der sehr geringen Kühlleistung werden Peltier-Elemente nur für Spezialzwecke eingesetzt.

Piezo-Diode und -Transistor: Sie nutzen den piezoelektrischen Effekt aus und dienen zum Umwandeln mechanischer Einwirkungen, z. B. Kräften und Drücken, in elektrische Signale.

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Jüngste Entwicklungen

Hier ist vor allem die Nanotechnik zu nennen. Hierbei haben die Grundbauelemente nur noch Abmessungen von höchstens einigen hundert Nanometern (milliardstel Metern), sind also vielfach kleiner als in den bisher üblichen integrierten Schaltungen. Dadurch kann deren so genannte Integrationsdichte weiter erhöht werden, so dass bei steigender Leistungsfähigkeit bzw. Geschwindigkeit ein noch geringerer Energiebedarf möglich ist. Die Funktion dieser Bauelemente, die allerdings noch keine Serienreife haben, beruht auf Quanteneffekten (siehe Quantentheorie).

Einen wichtigen Schritt in Richtung „atomarer Schaltmechanismus” gelang Oktober 1998 einem Forscherteam der Technischen Universität Dänemark. Mit Hilfe der ultrafeinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops konnten die Wissenschaftler erstmals bei Raumtemperatur ein einzelnes Wasserstoffatom auf einer Siliciummatrix hin und her bewegen. Bis dahin gelangen derartige Versuche nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C). Zur Konstruktion eines nanotechnischen Baulements bedarf es auch hier noch sehr viel Entwicklungsarbeit.

Bei bestimmten Kunststoffen bzw. Polymeren versucht man neuerdings, die Richtungsabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit auszunutzen. Aber auch hier befindet man sich noch im Stadium der Erforschung und Erprobung, und es sind noch keine praktisch einsetzbaren Bauelemente verfügbar.

Ein Fortschritt in jüngerer Zeit gelang israelischen Forschern am Weizmann-Institut in Rehovot. Die Gruppe konnte den bisher reinsten Kristall des Halbleiters Galliumarsenid (GaAs) herstellen. Auf fünf Milliarden Galliumarsenidatome kommt nur ein einziges den Halbleiter verunreinigendes Fremdatom.