Halbleiter sind die treibende Kraft hinter der Technologie, die unsere Gesellschaft prägt und in eine noch vernetztere Zukunft führt. (Bild: Acronym - stock.adobe.com)
Was ist ein Halbleiter? – Einfach erklärt
Der Begriff "Halbleiter" bedarf einer definitorischen Erläuterung. Eine Halbleiterverbindung ist ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern, wie Kupfer, und der von Isolatoren, wie Glas, liegt. Halbleiter sind dadurch gekennzeichnet, dass ihre Leitfähigkeit durch externe Faktoren wie Temperatur, Licht oder den Einsatz von Fremdatomen (Dotierung) gezielt beeinflusst werden kann. Diese gezielte Steuerung der Leitfähigkeit macht sie zu einem wichtigen Bestandteil elektronischer Schaltungen. Das bekannteste und am weitesten verbreitete Halbleitermaterial ist Silizium, das in der Natur reichlich vorkommt und die Basis für die Herstellung von Mikrochips bildet.
Wo findet man Halbleiter im Alltag?
Die meisten Menschen sind sich nicht bewusst, wie allgegenwärtig Halbleiter in ihrem Alltag sind. Ob beim Einsatz von Smartphones, Automobilen oder modernen Haushaltsgeräten – Halbleiter sind in sämtlichen Bereichen von zentraler Bedeutung. Sie sind essenziell für die Funktion von Computern, Fernsehern, Kommunikationsgeräten sowie nahezu allen elektronischen Geräten. Einige Beispiele:
- Smartphones: Der Prozessor, das „Gehirn“ des Handys, ist ein hochkomplexer Halbleiter, der Milliarden von Berechnungen pro Sekunde ausführt.
- Fernseher: Moderne Fernseher nutzen Halbleiter für ihre Bildschirme (z.B. OLED-Technologie) und Bildprozessoren.
- Autos: In Fahrzeugen regeln Halbleiter die Motorsteuerung, Airbags, Bremsen und viele andere sicherheitsrelevante Systeme.
- Computer: Alle wesentlichen Komponenten eines Computers, von der CPU (Central Processing Unit) über die GPU (Graphics Processing Unit) bis hin zum Arbeitsspeicher, bestehen aus Halbleitern.
Sind Halbleiter die Zukunft?
Im Kontext der exponentiellen Entwicklung der digitalen Transformation erfährt die Bedeutung von Halbleitern eine signifikante Aufwertung. Zukunftstechnologien wie das Internet der Dinge (IoT), 5G-Kommunikation, Künstliche Intelligenz (KI) und autonome Fahrzeuge basieren allesamt auf der Leistungsfähigkeit und Miniaturisierung von Halbleitern.
Folglich können fortschrittliche Anwendungen in der digitalen Welt erwartet werden, wenn die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Halbleitern weiter zunehmen. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Miniaturisierung: Halbleiter erlauben die Unterbringung einer zunehmend größeren Rechenleistung auf einer immer kleineren Fläche. Dies ist eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung tragbarer Geräte und schneller Computer.
Künstliche Intelligenz und Halbleiter
Die Anforderungen an die Rechenleistung, die durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz entsteht, sind erheblich. Dies betrifft insbesondere das Training von Algorithmen sowie die Verarbeitung großer Datenmengen in Echtzeit. In diesem Kontext erlangen spezialisierte Halbleiterchips, sogenannte GPUs (Graphics Processing Units) und TPUs (Tensor Processing Units), eine entscheidende Bedeutung. Die Entwicklung dieser Chips zielte darauf ab, die Verarbeitung paralleler Rechenprozesse zu optimieren, was für KI-Anwendungen von essenzieller Bedeutung ist.
5G und Halbleiter
Die Einführung des 5G-Netzwerks, welches derzeit weltweit ausgerollt wird, ermöglicht eine signifikante Steigerung der Datenübertragungsgeschwindigkeit sowie eine Reduktion der Latenzzeit im Vergleich zu vorherigen Mobilfunkstandards. Die genannten Verbesserungen werden durch fortschrittliche Halbleiter ermöglicht, welche die hochfrequente Kommunikation über Mobilfunkmasten effizient verwalten können.
Halbleiter vs. Chips: Was ist der Unterschied?
Ein häufig zu beobachtendes Missverständnis ist die Gleichsetzung von Halbleitern mit Mikrochips. Ein Chip stellt folglich ein auf einem Halbleitermaterial basierendes Bauteil dar. Halbleiter stellen das Ausgangsmaterial dar, während Mikrochips spezielle integrierte Schaltkreise sind, die auf einem Halbleiter, in der Regel Silizium, aufgebracht werden. Die Funktionsweise von Chips basiert auf Milliarden von Transistoren, welche als winzige Schalter fungieren und elektrische Signale weiterleiten oder blockieren. Ein einzelner Transistor stellt dabei den Grundbaustein dar, welcher den Unterschied zwischen den Zuständen „An“ und „Aus“ signalisiert. Dieser bildet die Grundlage der binären Logik, auf welcher die digitale Elektronik basiert.
Welche Rohstoffe sind für die Herstellung von Halbleitern notwendig?
Silizium stellt das am häufigsten verwendete Material in der Halbleiterherstellung dar. Es verfügt über ideale physikalische Eigenschaften hinsichtlich der Steuerung von elektrischem Strom und ist zudem in großen Mengen auf der Erde vorhanden. Neben Silizium finden auch Materialien wie Germanium und Galliumarsenid Verwendung, die für spezifische Einsatzbereiche vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Galliumarsenid findet beispielsweise Verwendung in Hochfrequenzbauteilen, wie sie in Mobiltelefonen oder der Satellitenkommunikation zum Einsatz kommen. Aufgrund der höheren Elektronengeschwindigkeit stellt es eine Alternative zu Silizium dar. Bei der Herstellung von Halbleitern ist jedoch nicht nur das Rohmaterial von entscheidender Bedeutung, sondern auch die Reinheit der Ausgangsmaterialien. Bereits kleinste Verunreinigungen können die Funktionalität eines Halbleiterchips beeinträchtigen.
Wie funktionieren Halbleiter?
Der Vorteil der Dotierung
Halbleiter sind von Natur aus keine besonders guten Leiter, aber auch keine guten Isolatoren. Ihre Leitfähigkeit lässt sich jedoch durch das Hinzufügen von Fremdatomen (Dotierung) gezielt beeinflussen. Dies geschieht, indem kleine Mengen von Atomen mit mehr oder weniger Elektronen als das Grundmaterial (z.B. Silizium) hinzugefügt werden. Diese Fremdatome erzeugen entweder zusätzliche negative Ladungsträger (Elektronen) oder positive Ladungsträger (Löcher), was die Leitfähigkeit des Halbleiters erhöht.
- N-Typ-Halbleiter: Hier werden Atome mit mehr Elektronen als das Halbleitermaterial hinzugefügt. Diese zusätzlichen Elektronen sind dann die Ladungsträger.
- P-Typ-Halbleiter: Bei dieser Dotierung werden Atome hinzugefügt, die weniger Elektronen haben. Dadurch entstehen "Löcher", die als positive Ladungsträger wirken.
Durch die Kombination dieser beiden Typen können in einem Halbleiterbauelement Übergänge erzeugt werden, die als Schalter oder Verstärker in elektronischen Schaltkreisen dienen.
Wo werden Halbleiter angewendet?
Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Halbleitern sind Gegenstand intensiver Forschungsaktivitäten. Halbleiter sind in nahezu jeder Industrie von essenzieller Bedeutung.
Exemplarisch sei hier die Automobilindustrie genannt, in der moderne Fahrzeuge eine Vielzahl an elektronischen Komponenten aufweisen. Dazu zählen unter anderem die Motorsteuerung, das Infotainmentsystem sowie Sensoren für autonomes Fahren. Die wachsende Bedeutung der E-Mobilität bedingt zudem den Einsatz effizienter Halbleiter zur Steuerung von Elektromotoren und Batteriesystemen.
Im Bereich der Medizintechnik finden Halbleiter in Geräten wie Herzschrittmachern, bildgebenden Verfahren (beispielsweise Magnetresonanztomographen) sowie Laborgeräten Anwendung, um Daten präzise zu erfassen und zu verarbeiten.
Auch moderne Kommunikationsnetze wären ohne den Einsatz von Halbleitern undenkbar. Sie ermöglichen die Verarbeitung und Weiterleitung von Daten in großem Umfang und bei hoher Geschwindigkeit.
Warum gibt es immer wieder Engpässe bei Halbleitern?
Die Produktion von Halbleitern ist ein hochkomplexer und zeitintensiver Prozess. Die Fertigung eines Halbleiterchips erstreckt sich über einen Zeitraum von mehreren Monaten, wobei die Beschaffung der Rohstoffe, die Fertigung selbst sowie die Endmontage zu berücksichtigen sind. Die beispiellose Nachfrage nach Elektronik, beispielsweise durch Homeoffice und Homeschooling, führte während der COVID-19-Pandemie zu Engpässen in der Halbleiterproduktion. Die Produktionskapazitäten konnten nicht in einem adäquaten Zeitraum erweitert werden, da die Errichtung neuer Produktionsstätten mit signifikanten Investitionen und einem beträchtlichen Zeitaufwand verbunden ist.
Halbleiter sind das Rückgrat der modernen Elektronik und werden in Zukunft noch wichtiger werden. Ohne sie wäre die digitale Welt, wie wir sie kennen, nicht möglich. Mit dem ständigen Fortschritt in der Miniaturisierung und Leistungssteigerung von Halbleitern öffnen sich ständig neue Möglichkeiten, von schnelleren und leistungsfähigeren Computern bis hin zu intelligenten Städten und autonomen Fahrzeugen. Kurz gesagt: Halbleiter sind die treibende Kraft hinter der Technologie, die unsere Gesellschaft prägt und in eine noch vernetztere Zukunft führt.
