Halbleiter

Ein Halbleiter ist ein Material, das in einigen Fällen Elektrizität leitet, in anderen jedoch nicht. Gute elektrische Leiter, wie Kupfer oder Silber, lassen Elektrizität leicht durch sie hindurchfließen. Materialien, die den Stromfluss blockieren, wie Gummi oder Kunststoff, werden als Isolatoren bezeichnet. Isolatoren werden oft verwendet, um Menschen vor Stromschlägen zu schützen. Wie der Name schon sagt, leitet ein Halbleiter nicht so gut wie ein Leiter. Silizium ist der am häufigsten verwendete Halbleiter, aber auch Galliumarsenid wird verwendet.

Durch das Hinzufügen verschiedener Atome in das Kristallgitter (Gitter) des Halbleiters ändert er seine Leitfähigkeit, indem er n-Typ- und p-Typ-Halbleiter herstellt. Silizium ist der wichtigste kommerzielle Halbleiter, obwohl viele andere verwendet werden. Sie können zu Transistoren gemacht werden, die kleine Verstärker sind. Transistoren werden in Computern, Mobiltelefonen, digitalen Audioplayern und vielen anderen elektronischen Geräten verwendet.

Wie andere Festkörper auch, können die Elektronen in Halbleitern nur Energien innerhalb bestimmter Bänder (d.h. Bereiche von Energieniveaus) zwischen der Energie des Grundzustands, die den eng an die Atomkerne des Materials gebundenen Elektronen entspricht, und der freien Elektronenenergie haben, die die Energie ist, die ein Elektron benötigt, um vollständig aus dem Material zu entweichen.

Elektronische Komponenten auf Halbleiterbasis

Geschichte

Bereits in den 1830er Jahren wurden Halbleiter in Labors untersucht. Im Jahr 1833 experimentierte Michael Faraday mit Silbersulfid. Er entdeckte, dass das Material Elektrizität besser leitet, wenn es erhitzt wird. Dies war das Gegenteil von dem, wie sich Kupfer verhielt. Wenn Kupfer erhitzt wird, leitet es weniger Elektrizität. Eine Reihe anderer früher Experimentatoren entdeckte andere Eigenschaften von Halbleitern. Im Jahr 1947 wurde in den Bell Labs in New Jersey der Transistor erfunden. Dies führte zur Entwicklung von integrierten Schaltkreisen, die heute fast alle elektronischen Geräte versorgen.

Halbleiter-Doping

Doping

Dotieren ist der Prozess des Hinzufügens einer kleinen Verunreinigung zu einem reinen Halbleiter, um seine elektrischen Eigenschaften zu verändern. Schwach und mäßig dotierte Halbleiter werden als extrinsisch bezeichnet. Ein Halbleiter, der so hoch dotiert ist, dass er eher wie ein Leiter als ein Halbleiter wirkt, wird als degeneriert bezeichnet. Die meisten Halbleiter werden aus Siliziumkristallen hergestellt. Reines Silizium hat wenig Verwendung, aber dotiertes Silizium ist die Basis für die meisten Halbleiter. Silicon Valley wurde nach der großen Zahl von Halbleiter-Start-up-Unternehmen benannt, die dort angesiedelt waren.

Halbleiter heute

Heute werden Halbleiter weit und breit eingesetzt. Halbleiter sind in fast jedem elektronischen Gerät zu finden. Desktop-Computer, das Internet, Tablet-Geräte, Smartphones - all dies wäre ohne Halbleiter nicht möglich. Halbleiter können mit einer kleinen Spannung zu sehr präzisen Schaltern gemacht werden. Die Spannung, die der Halbleiter nicht benötigt, kann an andere elektrische Komponenten im Gerät weitergeleitet werden. Halbleiter können auch sehr klein gemacht werden und viele von ihnen können in einen ziemlich kleinen Schaltkreis passen. Da sie so klein gemacht werden können, können elektrische Geräte heute dünn und leicht gemacht werden, ohne dass die Verarbeitungsleistung beeinträchtigt wird. Einige der dominierenden Unternehmen im Halbleitergeschäft sind Intel Corporation, Samsung Electronics, TSMC, Qualcomm und Micron Technology.

Fragen und Antworten

F: Was ist ein Halbleiter?

A: Ein Halbleiter ist ein Material, das in einigen Fällen Elektrizität leitet, in anderen jedoch nicht. Er leitet nicht so gut wie gute elektrische Leiter wie Kupfer oder Silber, und er blockiert den Stromfluss nicht wie Isolatoren wie Gummi oder Kunststoff.

F: Was sind n-Typ- und p-Typ-Halbleiter?

A: N-Typ- und p-Typ-Halbleiter entstehen durch das Hinzufügen verschiedener Atome in das Kristallgitter (Gitter) des Halbleiters, wodurch sich seine Leitfähigkeit ändert.

F: Wofür wird Silizium verwendet?

A: Silizium ist der wichtigste kommerzielle Halbleiter und kann zu Transistoren verarbeitet werden, kleinen Verstärkern, die in Computern, Mobiltelefonen, digitalen Audioplayern und vielen anderen elektronischen Geräten verwendet werden.

F: Welche anderen Materialien werden als Halbleiter verwendet?

A: Neben Silizium wird auch Galliumarsenid als Halbleiter verwendet.

F: Wie verhalten sich die Elektronen in einem festen Material?

A: Die Elektronen in festen Materialien können nur Energien innerhalb bestimmter Bänder (d.h. Bereiche von Energieniveaus) zwischen der Energie des Grundzustands, die den fest an die Atomkerne des Materials gebundenen Elektronen entspricht, und der Energie der freien Elektronen haben, d.h. der Energie, die ein Elektron benötigt, um vollständig aus dem Material zu entkommen.

F: Warum werden Isolatoren oft verwendet, um Menschen vor Stromschlägen zu schützen?

A: Isolatoren blockieren den Stromfluss und können daher zum Schutz vor Stromschlägen eingesetzt werden, indem sie verhindern, dass ein elektrischer Strom durch sie hindurchfließt.

F: Wie funktionieren Transistoren?

A: Transistoren fungieren als kleine Verstärker, die ein Eingangssignal aufnehmen und es verstärken, bevor sie es mit einem höheren Pegel als dem ursprünglichen Eingangssignal ausgeben.