Was sind Halbleiter und wie funktionieren sie?
Zuletzt aktualisiert am 1. Februar 2023 von Lars Weidmann
Halbleiter sind aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken und treiben alles an, von Computern bis hin zu Handys. Aber was sind sie, und wie funktionieren sie? Dieser Leitfaden bietet eine eingehende Untersuchung von Halbleitern, von ihren grundlegenden Eigenschaften bis hin zu den verschiedenen Arten, die es gibt, und erklärt, warum sie für unser technologieorientiertes Leben so wichtig sind. Wir werden uns ansehen, wie Halbleiter in der alltäglichen Elektronik verwendet werden und wie sie in größeren Anwendungen wie Solarzellen eingesetzt werden. Schließlich werden wir die Bedeutung von Halbleitern in der Zukunft erörtern und wie sie unser Leben weiterhin prägen werden. Am Ende dieses Leitfadens werden Sie ein umfassendes Verständnis von Halbleitern und ihrer Rolle in der heutigen digitalen Welt haben.
Einführung in die Halbleitertechnologie
Der Begriff Halbleiter bezieht sich auf ein Material, das weder ein Isolator noch ein Leiter ist. Halbleiter sind für die moderne Technologie aus verschiedenen Gründen wichtig. Sie können zur Herstellung von Transistoren verwendet werden, die zum Ein- und Ausschalten von elektrischen Signalen in Schaltkreisen dienen, sowie von Dioden, die den elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Halbleiter sind in Computern, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten weit verbreitet, da ihre Fähigkeit, Strom zu leiten und nicht zu leiten, die Entwicklung von Schaltungen ermöglicht, die eine Vielzahl von Funktionen ausführen können. Halbleiter werden auch in Solarzellen, Leuchtdioden (LEDs) und anderen elektrischen Geräten verwendet, da jede dieser Technologien von der Steuerung des Stromflusses abhängt.
Halbleiter-Eigenschaften
Die Halbleitereigenschaften eines Materials sind die physikalischen Merkmale, die bestimmen, ob es sich um einen hervorragenden Halbleiter handelt. Die Halbleitereigenschaften werden in der Regel mit einem speziellen Gerät, einem so genannten Halbleiter-Analysegerät, gemessen. Zu den wichtigsten Halbleitereigenschaften gehören die Bandlücke, die Ladungsträgerkonzentration und die Elektronenbeweglichkeit. Die Bandlücke ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Elektron anzuregen, so dass es sich im Halbleitermaterial frei bewegen kann. Je höher dieses Energieniveau ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Material Strom leitet. Die Ladungsträgerkonzentration ist die Menge der freien Elektronen und der Leitungselektronen in einer Probe. Je höher die Elektronenkonzentration ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Material Elektrizität leitet. Die Elektronenbeweglichkeit ist die Menge an Strom, die bei einer bestimmten elektrischen Feldstärke erzeugt wird. Eine höhere Mobilität bedeutet, dass ein Halbleitermaterial mit größerer Wahrscheinlichkeit Elektrizität leitet.
Verschiedene Arten von Halbleitern
Halbleiter werden aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt. Silizium ist der gängigste Halbleiter, aber auch Germanium, Zinkoxid, Cadmiumsulfid und einige andere werden verwendet. Silizium und Germanium werden als p-Typ-Halbleiter bezeichnet, während Zinkoxid ein n-Typ-Halbleiter ist. Silizium ist der am häufigsten verwendete Halbleiter in Computerchips und anderen elektronischen Geräten. Halbleiter auf Siliziumbasis werden aus Siliziumkristallen hergestellt, die so behandelt werden, dass p-Halbleiter entstehen. Der Hauptvorteil von Halbleitern auf Siliziumbasis besteht darin, dass die Siliziumkristalle leicht behandelt werden können, um den p-Typ-Halbleiter zu erzeugen. Der größte Nachteil von Halbleitern auf Siliziumbasis ist, dass sie weniger effizient sind als Germanium-Halbleiter.
Wie Halbleiter in der Alltagselektronik verwendet werden
Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement, das zur Steuerung des Stromflusses in einer Schaltung verwendet werden kann. Der Transistor besteht aus einem Halbleitermaterial, dem so genannten Kollektor, der mit einem Halbleitermaterial, dem Emitter, und einem anderen Halbleitermaterial, der Basis, verbunden ist. Der Kohlenstoff im Inneren der Materialien wird entfernt, um freie Elektronen zu erzeugen, die negativ geladene Teilchen sind. Der Stromfluss in einem Transistor wird durch die Höhe des elektrischen Stroms gesteuert, der an die Basis angelegt wird. Die Elektronen in der Basis erzeugen ein stärkeres elektrisches Feld innerhalb des Transistors, so dass eine größere Strommenge im Kollektor fließt. Die Verwendung von Transistoren ermöglicht es, große Strommengen in einem Schaltkreis durch Anlegen einer kleinen Strommenge zu steuern. Diese Art von Halbleiterschaltung wird als digitale Schaltung bezeichnet.
Die Verwendung von Halbleitern in größeren Anwendungen
Der Einsatz von Halbleitern in größeren Anwendungen ist eine weniger verbreitete Anwendung der Halbleitertechnologie. Eine der häufigsten Anwendungen von Halbleitern sind Solarzellen, große Halbleiterbauelemente, die die Energie der Sonne zur Stromerzeugung nutzen. Das in Solarzellen verwendete Halbleitermaterial ist Silizium. Zur Herstellung von Siliziumhalbleitern werden Siliziumkristalle erzeugt und anschließend mit einer starken Säure behandelt, um den Kohlenstoff zu entfernen. Der Hauptvorteil von Halbleitern auf Siliziumbasis besteht darin, dass sie billig und einfach herzustellen sind. Siliziumhalbleiter sind auch relativ effizient bei der Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht, was bedeutet, dass mit einer relativ kleinen Fläche Silizium eine große Menge Strom erzeugt werden kann. Der größte Nachteil von Halbleitern auf Siliziumbasis ist, dass sie bei der Erzeugung von Strom aus Licht weniger effizient sind als Germanium. Die Verwendung von Halbleitern in Lichtemittern ist eine weniger verbreitete Anwendung der Halbleitertechnologie. Lichtemitter, auch Leuchtdioden genannt, sind Halbleiterbauelemente, die Licht erzeugen, wenn Strom durch sie fließt.
Die Bedeutung von Halbleitern für die Zukunft
Die Bedeutung von Halbleitern in der Zukunft wird hauptsächlich davon abhängen, wie die Technologie verbessert wird. Mögliche Verbesserungen könnten in der Entwicklung einer neuen Art von Halbleitermaterial bestehen, das noch effizienter ist als Silizium. Die Verwendung von Halbleitern in Computern wird sich wahrscheinlich weiter verbessern und die Geschwindigkeit von Personalcomputern erhöhen sowie die Ausführung komplizierter Aufgaben erleichtern. Eine weitere wichtige Anwendung von Halbleitern sind Kommunikationsgeräte, wie z. B. Handys. Die Halbleitertechnologie ermöglicht die Herstellung kleiner Kommunikationsgeräte, die sowohl leicht als auch energieeffizient sind. Der zunehmende Einsatz von Halbleitern in Kommunikationsgeräten wird wahrscheinlich zur Entwicklung von qualitativ hochwertigeren Kommunikationsgeräten führen, bei denen die Größe des Geräts kein einschränkender Faktor ist.
Schlussfolgerung
Halbleiter sind für die moderne Technologie aus einer Vielzahl von Gründen wichtig. Sie können zur Herstellung von Transistoren verwendet werden, die zum Ein- und Ausschalten von elektrischen Signalen in Schaltkreisen dienen, sowie von Dioden, die den Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen. Sie werden auch in größeren Anwendungen wie Solarzellen verwendet, wo sie mit einer starken Säure behandelt werden, um Silizium-Halbleiter herzustellen. Es gibt eine Vielzahl von Halbleitermaterialien, die zur Herstellung von Halbleitern verwendet werden können. Alle Arten von Halbleitern haben mehrere nützliche Eigenschaften, darunter die Fähigkeit, den Stromfluss zu steuern. Halbleiter werden sowohl in der Alltagselektronik als auch in größeren Anwendungen wie Solarzellen eingesetzt.
