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Halbleiter (Teil II)

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.

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© Siemens

Beispiele für Metalle aus dem Alltag sind Eisen, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, etc. Diese besitzen eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit. Isolatoren verhalten sich diesbezüglich genau gegenteilig. Sie leiten den elektrischen Strom praktisch überhaupt nicht. Beispiele hierfür sind Glas, Keramik, Gummi, die Mehrzahl der Kunststoffe wie Plexiglas, PVC, Teflon, etc.. Zwischen der Gruppe der Metalle und der Gruppe der Isolatoren gibt es noch eine weitere, die der Halbleiter. Reine Halbleiter leiten den elektrischen Strom mindestens 10.000 schlechter als Kupfer. Typische Halbleiter sind Silizium und Germanium. Diese beiden Elemente sind in der 4. Hauptgruppe des Periodensystems zu finden. Die meisten Halbleiterbauteile sind heute aus Silizium. Immer mehr werden auch aus der 3. und 5. Hauptgruppe untersucht und eingesetzt, beispielsweise Gallium-Arsenid (GaAs) und Indium-Phosphid (InP). Halbleiter besitzen im Mittel vier Valenzelektronen – Elektronen in der äussersten Schale, die für die chemische Bindung verantwortlich sind. 1

Metallische Stromleitung

Ursache für die Strom- und Wärmeleitung in Metallen ist die Existenz von frei beweglichen Elektronen. Diese «Leitungselektronen» sind nicht an Gitteratome gebunden und somit leicht verschiebbar. Beim Anlegen eines äusseren Feldes E bewegen sich diese Elektronen durch das Kristallgitter, es fließt ein elektrischer Strom I. Der elektrische Widerstand resultiert aus der Wechselwirkung (Stößen) der Leitungselektronen mit den schwingenden Gitteratomen. Die Gitterschwingungen (Phononen) nehmen mit steigender Temperatur zu, der elektrische Widerstand wächst.

Nichtmetallische Stromleitung

In Halbleitern existieren bei niedrigen Temperaturen praktisch keine frei beweglichen Elektronen. Allerdings ist es leicht möglich Elektronen in energetisch höhere Zustände zu bringen und Leitungselektronen zu erzeugen – kleine Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband. 2

Durch thermische bzw. optische Anregung werden frei bewegliche Leitungselektronen erzeugt. Gleichzeitig entstehen positive Fehlstellen (Defektelektronen) die ebenfalls zur Leitfähigkeit beitragen. Dieser Effekt dominiert die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von (undotierten) Halbleitern, der Widerstand sinkt mit wachsender Temperatur. 2

Entstehung von Ladungsträgerpaaren

Entstehung von Ladungsträgerpaaren

Durch thermische bzw. optische Anregung werden frei bewegliche Leitungs- und Defektelektronen erzeugt.

© Stephan Hachinger's homepage

Halbleiterphysik

Wie haben doch Halbleiter unser Leben während der vergangenen Jahrzehnte dramatisch verändert! Seit der Erfindung des Transistors im Jahre 1947 hat der rasante Fortschritt der Halbleitertechnologie zur Entwicklung neuer technischer Hilfsmittel geführt, die wir uns aus einer modernen Gesellschaft gar nicht mehr wegdenken können. Computer, Handy, Telekommunikation und Multimedia, Navigationssysteme, medizinische Geräte und vieles mehr. Während die Entwicklung und Verbesserung von Geräten und Systemen hauptsächlich von Ingenieuren geleistet wird, stehen bei der Arbeit der Halbleiter-Physiker vor allem fundamentale Aspekte im Vordergrund. 3 Halbleiter eignen sich aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften hervorragend dazu, auf kleinstem Raum äußerst leistungsfähige elektronische Schaltungen aufzubauen. Je nach Anwendungszweck werden an das verwendete Halbleitermaterial bestimmte Anforderungen gestellt. Die Halbleiterphysik beschäftigt sich damit, diese Eigenschaften zu untersuchen und geeignete Materialien zu finden, aber auch diese in einer möglichst reinen Form herzustellen, wie es insbesondere in der Optoelektronik und Photonik benötigt wird. 4

Moderne Halbleitertechnologien

Die Anzahl der integrierten Bauelemente steigt in einem exponentiellen Maßstab, wie Gordon Moore 1965, seinerzeit CEO von Intel, in seiner berühmten empirischen Beobachtung feststellte. Das Gesetz, das nun schon mehr als 30 Jahre Gültigkeit besitzt, besagt, dass sich die Komplexität integrierter Schaltungen alle 18 Monate verdoppelt. Dieser rasante Fortschritt wird ermöglicht durch die Skalierung der Bauelemente und Verbindungsleitungen. Heutzutage können auf einem Stück Germanium über 100 Millionen Feldeffekttransistoren bereits integriert werden. 5

Organische Halbleiter

Halbleiter ohne Silizium? Der klassische Werkstoff für elektronische Bauelemente aller Art könnte bald ernsthaft Konkurrenz bekommen, das jedenfalls hoffen Wissenschaftler, die neue Halbleiter aus organischen, das heißt auf Kohlenstoff basierenden Materialien herstellen und ihre Eigenschaften untersuchen.

Organische Halbleiter bieten einige Vorteile gegenüber herkömmlichen anorganischen. Sie sind leicht herzustellen, zu bearbeiten und können im Gegensatz zu Silizium auch auf flexible Unterlagen aufgebracht werden, zudem sind sie sehr billig. Schaltkreise könnten etwa per Druckverfahren am laufenden Meter produziert werden und somit z.B. als elektronische Etiketten auf Waren ihren Platz finden. 6 Sobald diese preiswert verfügbar sind, würde der Gang durch die Kasse des Supermarktes nur noch eine Angelegenheit von Sekunden sein, ohne dass die Waren einzeln auf das Band gelegt werden müssten. 7

Flachbildschirme

MIttlerweile ist man auch in der Lage, organische Leuchtdioden herzustellen, die in allen Farben effizient und langlebig leuchten. Es gibt sogar erste vollfarbige Flachbildschirme aus organischen Materialien. Darüber hinaus gelang es organische Transistoren herzustellen, deren Schaltgeschwindigkeit vergleichbar mit der von Dünnfilm-Transistoren (TFT) aus amorphem Silizium sind, die in heutigen LCD-Bildschirmen eingesetzt werden. Da die Bauelemente aus Kunststoffen relativ einfach zu fertigen sind, eröffnet sich dadurch eine riesige Palette vielversprechender Produkte, angefangen von Transistoren und Plastikchips, über 8 hochauflösende, vollfarbige Flachbildschirme bis hin zu Lasern.


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