Halbleiterelektronik

Bedeutung und Einordnung

Halbleiterelektronik ist der Bereich der Elektronik, der elektronische Bauelemente auf Grundlage von Halbleitern entwickelt, herstellt und anwendet. Sie löste die Röhrenelektronik als Nachfolger ab. Die physikalischen Grundlagen gehören zur Halbleiterphysik beziehungsweise Festkörperphysik sowie zu verwandten Gebieten wie der Nanoelektronik.

Seit den 1950er Jahren ermöglicht Halbleiterelektronik Rechner und moderne Computer. Ihr Integrationsgrad beschreibt, wie stark Bauelemente mikrostrukturiert und auf engem Raum zusammengefasst sind. Der technische Fortschritt wird durch Technologieknoten beschrieben; seit den 2010er Jahren liegt dieser Bereich unter 10 nm und damit im Sub-Nanometerbereich.

Steuerung elektrischer Ströme

Halbleiterbauelemente nutzen aus, dass sich die Verteilung der Ladungsträger durch elektrische Ströme und Spannungen beeinflussen lässt. Ladungsträger sind hier Elektronen und Defektelektronen, die auch Löcher genannt werden.

In einem Halbleiter werden unterschiedlich und unterschiedlich stark dotierte Bereiche kombiniert. Dotierung bedeutet, dass die elektrischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials gezielt verändert werden. Mit einer passenden Ansteuerung lassen sich dadurch elektrische Ströme gezielt schalten, ohne dass sich mechanische Teile bewegen müssen, anders als etwa bei einem Relais.

Halbleiterelektronik ergänzt sich mit Akustoelektronik, Magnetoelektronik und besonders Optoelektronik. Photovoltaik verwendet ebenfalls Halbleitermaterialien, dient aber energetischen Zwecken und nicht Schaltungen oder Speichern.

Wichtige Bauelemente und Anwendungen

Zu den Bausteinen der Halbleiterelektronik und besonders der Digitallogik gehören CMOS, FET, FinFET und Gate-All-Around-FET-Transistoren (GAAFET). CMOS und FET werden seit den 1960er Jahren eingesetzt, FinFET seit den 2010er Jahren und GAAFET seit den 2020er Jahren. Sie können zu komplexen Prozessoren sowie zu integrierten Schaltkreisen (ICs) für analoge oder digitale Aufgaben zusammengeschaltet werden.

Auch Speicher entwickelten sich durch integrierte Bauelemente weiter; Flash-Speicher waren dabei ein Meilenstein. Zu Hochfrequenzbauteilen zählen Gunn- und IMPATT-Dioden, die in einem Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) integriert werden können. Weitere Entwicklungen sind halbleiterbasierte Laser, unter anderem im Zusammenhang mit dem Heteroübergang, sowie optisch-elektrische Bauelemente wie CCD-Sensoren. Solche Bauelemente können teilweise eigenständige Systeme auf einem Chip, also ein SoC, bilden. Leistungsbauteile wie IGBTs gewinnen ebenfalls zunehmend an Bedeutung.

Weitere Teilgebiete betreffen III-V- und II-VI-Verbindungshalbleiter, Halbleiter mit breitem Bandabstand, Nanotechnologie, Quantenpunkte, Quantenelektronik beziehungsweise heute Quantenoptik sowie den Quantentunneleffekt. Elektronische Bauteile werden außerdem in Modelle oder Ersatzschaltbilder überführt und etwa mit SPICE simuliert.

Entwicklung zur Mikroelektronik

Seit ihren Anfängen Mitte des 20. Jahrhunderts bestand eine wesentliche Aufgabe der Halbleiterelektronik in der Entwicklung und Anwendung von Halbleiterbauelementen wie Halbleiterdiode, Transistor und Thyristor. Zunächst waren dies einzelne, diskrete Bauelemente. Sie wurden mithilfe von Leiterplatten zu elektronischen Schaltungen zusammengefügt.

Ab Anfang der 1970er Jahre wurden viele solcher Bauelemente gleichzeitig auf einem Halbleitereinkristall hergestellt. Die daraus entstandenen ersten integrierten Schaltkreise bildeten den Beginn der Mikroelektronik. Diese wird mit rechnerbasierten Methoden und Verfahren der Electronic Design Automation (EDA) entwickelt. EDA-Werkzeuge dienen dazu, Mikroprozesse sowie weitere IC-Bausteine, Geräte oder Systeme zu entwickeln und sie anschließend in einer Halbleiterfabrik herzustellen.