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Halbleiter (Teil I)

Motor für modernste Technologie und Quelle für zukünftige Innovationen

Die Entwicklungen im Halbleiterbereich haben das Leben der Menschen wahrscheinlich stärker verändert als irgendeine andere Technologie zuvor. Halbleiter sind nicht nur zentrale Bausteine für Computer-Systeme, sie begegnen uns auch als Querschnitts-Technik in zahllosen anderen Geräten des täglichen Lebens – vom Funkwecker über Elektroherde und Waschmaschinen bis zu aktiven Sicherheitssystemen in Autos. In der Technik und bei den Bauelementen, die aus den Halbleitern gefertigt werden, sind diese nicht mehr wegzudenken.

Halbleiter

Halbleiterelemente

Die Entdeckung des Halbleiters brachte einen noch nie dagewesen Fortschritt in der Geschichte der Menschen.

© display-Magazin

Schon seit jeher wurden wichtige Erfindungen und Entdeckungen gemacht. Die Entdeckung des Halbleiters jedoch brachte einen noch nie dagewesen Fortschritt in der Geschichte der Menschen. Auch heute noch wird sehr viel Arbeit, Zeit und Geld in die Halbleiterentwicklung investiert und trotzdem verspürt diese Technik nach wie vor eine rasante Weiterentwicklung. Auch bezüglich der Gefahr der Ressourcen Knappheit brauchen sich Produzenten von Halbleiter Materialien nicht zu sorgen, denn die weltweiten Quarzsandvorkommen werden als praktisch unbegrenzt angegeben. Vielen ist der Begriff Halbleiter nicht wirklich bekannt, obwohl die Halbleiter in sehr vielen 1 Alltagsgeräten nicht mehr wegzudenken sind. Die Geräte würden ohne diese Schlicht und einfach nicht mehr funktionieren.

Geschichte des Halbleiters

Schon seit fast zwei Jahrhunderten kennt man die grundlegenden Eigenschaften von halbleitenden Stoffen. 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel – der Vater des Entdeckers der Radioaktivität von Uran – den Sperrschicht- oder photovoltaischen Effekt. Solarzellen basieren beispielsweise auf diesem Prinzip. Ein paar Jahrzehnte später 1874 beschrieb der Nobelpreisträger Karl Ferdinand Braun den Gleichrichtereffekt von Halbleiter. «... bei einer großen Anzahl natürlicher und künstlicher Schwefelmetalle ... der Widerstand derselben war verschieden mit Richtung, Intensität und Dauer des Stroms. Die Unterschiede betragen bis zu 30 % des ganzen Wertes.» Somit fand man zum erstmal einen veränderlichen ohm'schen Widerstand. 2 Fast ein Jahrhundert später erarbeitete A.H. Willson das Bändermodell, um das Verständnis der Festkörper zu erleichtern. B.J. Davydov, William Schottkey und M.F. Mott erforschten als Erste im Jahre 1930 die Leitfähigkeit (Leitmechanismus) der Halbleiter. Durch systematische Versuche mit Germanium und Silizium, versuchte man ab 1940 die Halbleiter besser zu verstehen und aus den erworbenen Erkenntnissen technische Nutzen zu ziehen. Bardeen, Brattain und Shockley veröffentlichten 1948 die Erfindung des ersten Transistors. Bereits 1955 wurden Tranistoren serienmäßig in grosser Stückzahl hergestellt und lösten damit die Elektronenröhren in vielen Bereichen ab.

Leitfähigkeit eines Halbleiters

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters liegt zwischen der von Metallen und Isolatoren. Jedoch ist sie stark abhängig von:

  • mechanischer Kraft
  • Temperatur
  • Licht
  • zugefügte Fremdstoffe

Führt man Energie in Form von Wärme, Licht, Spannung oder magnetischer Energie hinzu, so erhöht sich die Leitfähigkeit. Die Empfindlichkeit der Halbleiter auf Druck, Temperatur und Licht macht sie auch zu geeigneten Sensoren. 1

Integriert oder diskret

Generell unterscheidet man in der Halbleitertechnologie zwischen diskreten und integrierten Schaltungen. Diskrete Halbleiter erfüllen meist nur eine Funktion wie eine Diode. In integrierten Schaltungen sind mehrere elektronische Schaltungen untergebracht und miteinander vernetzt.

Transistoren ermöglichen Schalt-, Steuer-, Speicher- und Verstärkerelemente in Computeranlagen usw. Aufwendige Relais, wie sie noch bei Konrad Zuse 1943, in seinem Rechner K3, in Verwendung waren, wurden durch Transistorbauweisen ersetzt. Silizium wird als Halbleiter Germanium häufig vorgezogen, weil, 1 vor allem durch sein Oxidationsvermögen integrierte Schaltungen ermöglicht werden. Jack Kilby verstand es 1958 Bauelemente wie Transistoren oder Dioden auf einen einzigen Chip unterzubringen.

Was sind Halbleiter?

Obwohl man den Begriff Halbleiter schon oft gehört hat, ist eine Erklärung nicht immer ganz einfach. Der Halbleiter ist das grundlegendste Bauelement für fast alle elektronischen Systeme. Ohne Halbleiter gäbe es keine Computer, Fernseher, Handy's, etc.. Im Gegesatz zu Metallen sind Halbleiter Werkstoffe, die nur unter bestimmten Zuständen leiten. Üblicherweise erwartet man, dass Materialien entweder sehr gut leiten oder aber überhaupt nicht. Im ersten Fall denkt man dabei an Metalle wie Kupfer oder Eisen und im Zweiten an Isolatoren wie Plastik, Glas oder bestimmte Keramiken. Als Halbleiter bezeichnet man nun einen Festkörper oder Flüssigkeit (meist Silizium) dessen elektrische Leitfähigkeit stark temperaturabhängig ist und somit je nach Temperatur sowohl als Leiter, als auch als Nichtleiter betrachtet werden kann. Bei Raumtemperatur ist er gewöhnlich nicht leitend. Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters nimmt mit steigender Temperatur zu, womit dieser auch als Heißleiter bezeichnet wird. Die Leitfähigkeit lässt sich ferner durch das Einbringen von Fremdatomen Dotierung aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt einstellen. Die Bedeutung für die Mikroelektronik erlangen Halbleiter insbesondere dadurch, weil ihre Leitfähigkeit durch Anlegen einer Steuerspannung oder -strom (wie z.B. Transistor) verändert werden kann. 2

Produktion

Während die Mehrzahl der Halbleiterprodukte – wie Prozessoren und Speicherchips – Silikon nutzen, gibt es eine Reihe andere Produkte, unter anderem LED's und Mikrowellenbauelemente, die beispielsweise Galliumnitrit und Indiumphosphid als Halbleitermaterialien verwenden. Einer der wichtigsten Prozesse bei der Herstellung von Halbleitermaterialien ist die Produktion der blanken Wafer, die das eigentliche Rohmaterial für die Halbleiterfertigung darstellen. 3

Siliziumscheibe (Wafer)

Siliziumscheibe (Wafer)

Gut zu sehen sind die einzelnen «Dies» und der geometrische Verschnitt.

© kanazawa

Wafer

Als Wafer bezeichnet man Scheiben aus Halbleitermaterialien (meist Silizium), aber etwa auch Germanium oder Galliumarsenid – aus denen man die eigentlichen Chips, also die integrierten Schaltungen, herstellt. Gängige Durchmesser für Wafer sind 200 Millimeter (8 Zoll) und 300 Millimeter (12 Zoll), letztere wegen ihrer beeindruckenden Größe auch als Pizza-Wafer bezeichnet. 4 Je größer der Wafer, desto mehr Chips können darauf untergebracht werden. Da bei größeren Wafern der geometrische Verschnitt kleiner wird, können die IC's auch kostengünstiger produziert werden. Wafer werden von hochspezialisierten Firmen gefertigt und meist aus einem riesigen, hochrein gezüchteten, runden Einkristall geschnitten. Dabei müssen, für die meisten Anwendungen, die Oberflächen der Wafer optisch spiegelnd poliert sein. Hinsichtlich der Ebenheit der Wafer, der Perfektion der Politur und der Reinheit der Oberfläche gelten extreme Anforderungen. So sind beispielsweise nur Unebenheiten von wenigen [nm] über die gesamte Waferfläche zulässig. Die sogenannten Hableiterfirmen stellen also meist eigentlich keine Halbleiter her, sondern verarbeiten Halbleiter-Rohlinge zu elektronischen Komponenten.

Fotochemische Bearbeitungsschritte

Die Strukturen der Schaltungen gelangen dabei über zahlreiche fotochemische Bearbeitungsschritte

  • Reinigung
  • Dotierung
  • epitaktische Beschichtung mit anderen dotierten Materialien
  • Beschichtung mit Fotolack
  • Belichtung mit kurzwelligem Laserlicht über Masken im Stepper
  • Lack-Entwicklung
  • Ätzung

auf den Wafer. Die einzelnen Funktionsbereiche (Dies) werden anschließend noch auf dem Wafer vorgeprüft und dann 4 ausgesägt, schließlich kontaktiert – Bonding oder Flip-Chip-Verfahren – und abschließend einzeln in Gehäuse vergossen.


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