Unser praktischer Leitfaden zu Halbleitern geht ihrer wichtigen Rolle in der modernen Technik nach und erörtert, wie sie zukünftigen Innovationen den Weg ebnen.
Adam Jeffery Produktmanager für Sensoren zur PCB-Montage und Halbleiter bei Distrelec
Adam bringt achtjährige Erfahrungen in der Branche mit sich und setzt sich dafür ein, Ingenieuren und Fachleuten die innovativsten Sensoren auf dem Markt zu beschaffen. Mit Begeisterung für technologische Fortschritte verhilft Adam den Kunden zu Verbesserungen bei ihren Anwendungen, indem er ihnen hochwertige Bauteile auf dem neuesten Stand der Technik anbietet.
Table of Contents
- Halbleiter und moderne Technologien
- Was ist ein Halbleiter?
- Dioden
- 10 Arten von diskreten Halbleitern
- 1. PIN-Diode
- 2. Stromregeldiode (oder Strombegrenzerdiode)
- 3. Z-Diode
- 4. Gleichrichterdiode
- 5. Suppressordioden (oder TVS-Dioden)
- 6. Bipolartransistor
- 7. Darlington-Transistor
- 8. Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET)
- 9. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)
- 10. Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode(IGBT)
- Die Halbleiter der Zukunft
- Empfohlene Marken
Halbleiter und moderne Technologien
Halbleiter stehen bei den meisten technischen Geräten im Zentrum und spielen eine Hauptrolle bei elektronischen Spielen, Barcodelesegeräten, Computern und Mikroprozessoren. Als unverzichtbarer Bestandteil von Computergeräten werden Halbleiter bei der Herstellung von Dioden, Transistoren und integrierten Schaltkreisen eingesetzt. Ihre Anwendungsbereiche haben in den letzten paar Jahren infolge der immer kleineren Kenngrößen, der Fortschritte bei Halbleiteranlagen und Halbleitermaterialien sowie der Möglichkeit zur Massenproduktion von integrierten Schaltkreisen auf Ein-Chip-Systemen exponentiell zugenommen.
Was ist ein Halbleiter?
Halbleiter sind keine Bauteile, sondern Materialien, bei denen es sich um reine Elemente wie Silicium und Germanium oder um Verbindungen wie Galliumarsenid und Cadmiumselenid handelt. Die Eigenschaften von Halbleitern liegen irgendwo zwischen jenen von Leitern und Nichtleitern, und so haben sie, wie es der Name schon andeutet, eine gewisse elektrische Leitfähigkeit, aber nur in Abhängigkeit von der jeweiligen Richtung des Stroms. Diese einzigartige Eigenschaft versetzt sie in die Lage, als elektronische Schalter zu fungieren, da sie als Leiter oder Nichtleiter eingesetzt werden können und so die Rolle einer 1 oder 0 in einem Binärsystem und in der digitalen Verarbeitung einnehmen.
Halbleitergeräte sind klein, zuverlässig, kostengünstig und leistungsstark. Daher eignen sie sich für den Einsatz in komplexen mikroelektronischen Schaltungen. Als diskrete Bauelemente können sie in Leistungsgeräten, Lichtsendern und optischen Sensoren eingesetzt werden.
Es gibt zwei Arten von Halbleitern – intrinsische und extrinsische:
| Intrinsisch | Extrinsisch |
|---|---|
| Reiner Halbleiter | Unreiner Halbleiter |
| Gleichgewicht von Elektronen zu Elektronenlöchern | Ungleichgewicht von Elektronen zu Elektronenlöchern |
| Niedrige elektrische Leitfähigkeit | Hohe elektrische Leitfähigkeit |
| Temperaturabhängig | Abhängig von der Temperatur und dem Verunreinigungsgrad |
Das für Halbleiterchips und Transistoren am häufigsten verwendete Material ist Silicium. Es ist so weit verbreitet, dass es sich in seiner englischen Form im Namen Silicon Valley wiederfindet, der Region, die mit vielen der innovativsten Firmen und technischen Produkte der Neuzeit in Verbindung gebracht wird. Obwohl Silicium von Natur aus nicht leitend ist, kann es dotiert werden, sodass es leitende Eigenschaften annimmt.
Bei der sogenannten Dotierung wird das Silicium mit Fremdatomen vermischt, um einen extrinsischen Halbleiter herzustellen. Dabei gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten:
1. Die n-Dotierung:
- Geringe Mengen von Phosphor oder Arsen werden in das Silicium eingebracht.
- Phosphor und Arsen haben fünf Außenelektronen. Wenn solche Atome in das Silicium eingebracht werden, kann das fünfte Elektron keine Bindung eingehen und bleibt dadurch frei beweglich.
- Silicium vom n-Typ ist ein guter Leiter. Die Bezeichnung rührt daher, dass Elektronen eine negative Ladung aufweisen.
2. Die p-Dotierung:
- Geringe Mengen von Bor oder Gallium werden in das Silicium eingebracht.
- Diese Elemente haben nur drei Außenelektronen, sodass sie „Löcher“ im Siliciumkristallgitter verursachen, weil die überschüssigen Siliciumelektronen keine Bindung eingehen können.
- Dadurch entsteht eine positive Ladung.
- Beim Anlegen einer Spannung fließt Strom durch diese Löcher, da sich die benachbarten Elektronen bewegen – das Material ist also ein guter Leiter.
Geringste Mengen entsprechender Fremdatome können das Silicium zu einem guten Nichtleiter oder einem praktikablen Leiter machen – so entsteht seine Eigenschaft als Halbleiter.
Dioden
Dioden werden durch Kombinationen aus Silicium vom n-Typ und p-Typ hergestellt. Dabei handelt es sich um das einfachste Halbleitergerät, denn Strom fließt nur in eine Richtung, sodass das Gerät wie ein Schalter betrieben und entsprechend gesperrt oder geöffnet werden kann.
Die meisten batteriebetriebenen Geräte enthalten eine Diode, die den Strom am Austreten aus der Batterie hindert und eine Schutzfunktion bieten, falls die Batterien verkehrt herum eingesetzt werden.
10 Arten von diskreten Halbleitern
1. PIN-Diode
PIN-Dioden finden sich oft in Anwendungen mit Hochspannung sowie Anwendungen mit schnellen Spannungswechseln. Sie lassen sich von anderen Dioden unterscheiden, da der Halbleiter zwischen einer Schicht vom p-Typ und einer Schicht vom n-Typ eingeklemmt ist.
2. Stromregeldiode (oder Strombegrenzerdiode)
Stromregeldioden werden auch als Strombegrenzerdioden bezeichnet. Sie regeln den Strom und nicht die Spannung und begrenzen den Stromfluss bis zu einem gewissen Wert, der von der Diode konstant aufrechterhalten wird.
3. Z-Diode
Z-Dioden ermöglichen einen Stromfluss entweder in Durchlass- oder in Sperrrichtung. Es gibt drei häufige Anwendungsbereiche: zur Spannungsbegrenzung, zum Überlastschutz oder als Spannungsreferenz.
4. Gleichrichterdiode
Gleichrichterdioden lassen den Stromfluss nur in einer Richtung zu. Sie wandeln Wechselstrom durch den Einsatz von Gleichrichterbrücken in Gleichstrom um. Da sie stabiler als normale Dioden sind, können sie stärkere Lasten besser aushalten.
5. Suppressordioden (oder TVS-Dioden)
TVS-Dioden schützen empfindliche Halbleiter vor einer möglichen Beschädigung durch Spannungspulse. Eigenschaften umfassen rasche Reaktionszeiten, geringe Kapazität und geringen Leckstrom, was ideal für Ereignisse mit elektrostatischer Entladung (ESD) ist.
6. Bipolartransistor
Bipolartransistoren haben sowohl negative als auch positive Ladungsträger. Verbreitete Anwendungsbereiche für Bipolartransistoren sind Schalter und Verstärker. Auch wenn sie gemeinhin in Analogschaltungen eingebaut sind, können sie als eigenständige Einheiten erworben werden.
7. Darlington-Transistor
Ein Darlington-Transistor besteht im Prinzip aus zwei Transistoren, wobei der erste zur Stromverstärkung bis auf einen bestimmten Wert und der zweite zur weiteren Verstärkung dient. Darlington-Transistoren werden oft eingesetzt, um Platz zu sparen, wo sonst zwei Transistoren angebracht werden müssten.
8. Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET)
SFET werden gemeinhin für Schaltanwendungen eingesetzt, können aber auch spannungsabhängigen Widerstand bieten. Sie verfügen über Source- und Drain-Anschlüsse, über die entweder mehr Widerstand hinzugefügt oder der Strom ganz unterbrochen werden kann.
9. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)
MOSFET sind aufgrund ihrer Verwendung in analogen und digitalen Schaltungen die am weitesten verbreitete Form von Transistoren. Dabei handelt es sich im Prinzip um SFET mit vier Anschlüssen (Body, Drain, Gate und Source), wobei im Einsatz in der Praxis normalerweise drei davon angeschlossen sind. MOSFET dienen als Schalter zur Kontrolle von Spannung und Stromfluss zwischen Source und Drain.
10. Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode(IGBT)
IGBT sind eine Mischform zwischen Bipolartransistoren und MOSFET. Der Vorteil davon ist die Kombination aus den hohen Schaltungsgeschwindigkeiten, die für MOSFET typisch sind, und der niedrigen Sättigungsspannung wie bei Bipolartransistoren.
Die Halbleiter der Zukunft
Verbindungshalbleiter aus zwei oder mehr Elementen sind die nächste Halbleitergeneration. Sie dürften an der Zukunftsgestaltung im Technologiebereich und im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) entscheidend beteiligt sein. Verbindungshalbleiter haben eine höhere Leistungsfähigkeit als Silicium, denn sie sind schneller, effizienter und können ultraleistungsstarke Technologien besser unterstützen. Chips aus Verbindungen wie Galliumarsenid werden in der Funkkommunikation weithin eingesetzt und finden sich in praktisch jedem Smartphone, da sie die Kommunikation über Mobilfunk- und WLAN-Netzwerke sehr schnell und höchst effizient möglich machen. Verbindungshalbleiter emittieren und erkennen Licht, was für LED-, Laser- und Faseroptikanwendungen nützlich ist – mit Silicium ist dies nicht möglich. Diese Eigenschaft zusammen mit der höheren Effizienz von Verbindungshalbleitern wird Innovationen in verschiedenen Bereichen wie 5G, Robotik, künstliche Intelligenz (KI), autonome Fahrzeuge und erneuerbare Energien fördern.
Entwicklungen im Bereich von Quantencomputern dürften die Fortschritte bei Halbleitern ebenfalls vorantreiben: Firmen entwickeln jedenfalls Quantencomputer mit unglaublichen Rechenleistungen. Erste Forschungen in diesem Bereich konzentrieren sich zwar auf Systeme, die bei Temperaturen um den Nullpunkt herum betrieben werden, doch die Aufnahme von Halbleitern ermöglicht die Entwicklung von Quantencomputern, die bei Zimmertemperatur verwendet werden können. Dadurch kommen wir der kommerziellen Umsetzung von Quantencomputern näher denn je – wahrhaftig ein Quantensprung für unsere moderne Gesellschaft.
