Ein semiconductor ist ein Material, das elektrische Ströme steuert und damit ein wesentlicher Bestandteil der meisten modernen elektronischen Geräte ist. Semiconductor sind die Rechenchips und Mikrocontroller, die Smartphones, Computer und Fernseher mit Strom versorgen.
Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften liegen semiconductor zwischen hochleitenden Materialien (wie Kupfer oder Aluminium) und Nichtleitern (wie Gummi oder Glas). Semiconductor bestehen meist aus Silizium , Germanium und Galliumarsenid und ermöglichen entweder einen freien Stromfluss oder stoßen ihn vollständig ab.
„Jedes elektronische Gerät, das an die Steckdose angeschlossen wird oder eine Batterie verwendet, enthält semiconductor“, sagte Mike Pienovi, General Manager der Sitara-Mikrocontroller-Einheiten bei Texas Instruments , gegenüber Built In.
Die Allgegenwärtigkeit von semiconductor kann kaum überbewertet werden: Dioden, Chips und Transistoren sind alles Geräte, die aus ihnen bestehen.
„Semiconductor gibt es in vielen verschiedenen Märkten, beispielsweise in der Industrie, im Automobilbau, in der Unterhaltungselektronik, in Kommunikationsgeräten und Unternehmensystemen“, fügte Pienovi hinzu. „Diese Chips sind ein entscheidender Bestandteil der heutigen Technologie und beeinflussen nahezu jeden Aspekt unseres Lebens.“
Wie funktionieren semiconductor?
Die Fähigkeit eines semiconductor, Elektrizität zu leiten, hängt von der Bewegung und Wechselwirkung zwischen seinen beiden Stromträgern ab: freien Elektronen und Löchern (die die Abwesenheit eines Elektrons darstellen).
„Um zu verstehen, wie semiconductor funktionieren“, sagt der promovierte Chemiker Andrew Stapleton, der Inhalte bei Academia Insider erstellt , „muss man sich mit Energiebändern auskennen.“
Stapleton erklärte es so: In Festkörpern besetzen Elektronen Energieniveaus, die Energiebänder bilden. Die beiden wichtigsten Energiebänder in semiconductor sind das Valenzband (das mit Valenzelektronen gefüllt ist) und das Leitungsband (das weitgehend leer ist).
Wenn thermische Energie auf semiconductor material angewendet wird, wandern Valenzelektronen vom Valenzband in das Leitungsband, wo sie zu freien Elektronen werden. Sie hinterlassen leere Stellen im Valenzband, wodurch Löcher entstehen.
„Bei Nichtleitern sind diese Bänder weit voneinander entfernt“, sagte Stapleton. „Bei semiconductor sind sie jedoch nahe genug beieinander, sodass bei Anwendung einer Wärmequelle Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband springen können, wodurch der Fluss elektrischen Stroms ermöglicht wird.“
Die Stärke dieses Stroms hängt von der angelegten Spannung und den Eigenschaften des semiconductor materials ab (mehr dazu weiter unten). Die Beziehung zwischen diesen Faktoren wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben , das besagt, dass ein elektrischer Strom direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand des Materials ist.
Der Widerstand kann jedoch manipuliert werden, um den Fluss elektrischer Ströme besser zu kontrollieren. In einem als Dotierung bezeichneten Prozess kann die Anzahl der Stromträger durch Hinzufügen von Verunreinigungen zu einem Material erhöht werden. Durch die Erhöhung der Anzahl freier Elektronen oder Löcher entsteht eine Mehrheit der Stromträger, was zu einer stärkeren Leitfähigkeit führt.
Arten von semiconductor
Intrinsisch
Intrinsische semiconductor sind reine Materialien, nämlich Silizium und Germanium, die von Natur aus Elektrizität leiten, wenn sie mit einem Heizelement in Kontakt kommen. In ihrem ursprünglichen Zustand leiten diese undotierten Materialien elektrischen Strom jedoch nicht sehr gut.
Bei intrinsischen semiconductor ist die Anzahl der freien Elektronen im Leitungsband immer gleich der Anzahl der Löcher im Valenzband. Diese niedrige Konzentration von Stromträgern – freien Elektronen und Löchern – führt bei Raumtemperatur zu einer schlechten Leitfähigkeit. Die Verbesserung ihrer Leitfähigkeit hängt stark von einer externen thermischen Energiequelle wie Spannung ab.
Während also allein die Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, semiconductor zu einem nützlichen Bauteil macht, ist diese Fähigkeit bei intrinsischen oder I-Typ-semiconductor begrenzt.
Extrinsisch
„Extrinsische semiconductor“, erklärt Vikas Kaushik, CEO des Mobil-App-Entwicklungsunternehmens TechAhead und Absolvent der Informatik, „sind unreine Materialien, die absichtlich mit bestimmten Elementen ‚dotiert‘ wurden, um ihre elektrischen Eigenschaften zu verbessern.“
Mit anderen Worten: Wenn Sie die Leitfähigkeit erhöhen möchten, müssen Sie mehr Elektronen oder Löcher hinzufügen – alles, was eine ungleiche Anzahl davon erzeugt. Hier kommen Fremdmaterialien ins Spiel.
Um mehr Elektronen hinzuzufügen, wird ein semiconductor mit einem Atom dotiert, das fünf Valenzelektronen enthält, sogenannte fünfwertige Atome. Um die Anzahl der Löcher zu erhöhen, werden Atome mit drei Valenzelektronen oder dreiwertige Atome verwendet.
semiconductor, die mehr Elektronen transportieren, sind N-Typ-semiconductors, während solche mit einer Löchermehrheit als P-Typ-semiconductors klassifiziert werden.
Zum Bau elektronischer Geräte werden häufiger externe semiconductors verwendet als intrinsische semiconductor.
Wie werden semiconductor verwendet?
semiconductor sind im Alltag weit verbreitet. Nachfolgend sind einige ihrer Anwendungen aufgeführt.
- Dioden: Werden unter anderem in elektrischen Schaltern, Lasern und Sensoren verwendet.
- Transistoren: Werden häufig in Lichtschaltern, Hörgeräten, Mikrofonen und Kameras verwendet.
- Mikroprozessoren: Gelten als das Gehirn von Computern , Haushaltsgeräten, Smartphones und anderen komplexen Geräten.
- Speicherchips: Zu finden in USB-Laufwerken, Smartphones, tragbaren Geräten , Industrierobotern und anderen Technologien.
- Handelsübliche integrierte Schaltkreise: Werden in Telekommunikationsgeräten, Computern und Geräten verwendet, die grundlegende Aufgaben ausführen, wie etwa Barcode-Lesegeräte.
- Systems-on-a-Chip (SoC): treiben Smartphones, künstliche Intelligenz-Tools, Augmented Reality und andere fortschrittliche Technologien an.
- Silizium: Wird in Solarmodulen verwendet .
- Leuchtdioden (LEDs): Werden häufig in LED-Leuchten für Lampen, Digitaluhren, Verkehrssignale und andere Alltagsgeräte verwendet.
Bedeutung von semiconductors
Bevor es semiconductors gab, bauten Wissenschaftler die erste Computergeneration mit Vakuumröhren. Schätzungsweise 17.468 dieser glasummantelten Röhren , die an kleine Glühbirnen erinnern, wurden in den ersten Digitalcomputer der Welt eingebaut, den ENIAC, der 1964 vorgestellt wurde. Dieses System nahm zwar ganze Räume ein, wog 30 Tonnen und war 2,70 Meter hoch, aber seine Leistungsfähigkeit reichte bei weitem nicht an die der heutigen taschengroßen Smartphones heran.
Mit der Einführung der Transistoren im Jahr 1947 wurden semiconductors zum Synonym für das Informationszeitalter.
„semiconductors spielen in Technologie und Innovation eine unverzichtbare Rolle“, sagte Kaushik. „Sie sind das Rückgrat von Mikroprozessoren und ermöglichen es Computern, komplexe Aufgaben schnell und effizient auszuführen.“
Ein einzelner semiconductor chip enthält Millionen von Transistoren. Laut der Semiconductor Industry Association sind heute weltweit über 100 Milliarden integrierte Schaltkreise im täglichen Einsatz. Seit ihrem Aufkommen Mitte des Jahrhunderts waren semiconductor das Herzstück fast aller elektronischen Geräte der Vergangenheit und treiben auch künftige Technologien an, darunter künstliche Intelligenz , autonome Autos und Geräte des Internets der Dinge altcoins.
„Durch Innovationen wird die semiconductors technologie immer kleiner, effizienter, zuverlässiger und erschwinglicher“, sagte Pienovi von Texas Instruments.
Kaushik sieht semiconductors als Grundlage der modernen Elektronik und der digitalen Transformation. „Ohne semiconductor“, sagt er, „würde die digitale Landschaft, wie wir sie kennen, nicht existieren.“
Bei der nächsten semiconductors generation besteht die Herausforderung allerdings darin, die Kohlendioxidemissionen im Laufe des nächsten Jahrzehnts um 50 Prozent zu senken und so eine Netto-Null-Produktion anzustreben .
Häufig gestellte Fragen
Ein semiconductors ist ein Material, das den Fluss elektrischer Ströme steuern und regeln kann. Aufgrund ihrer einzigartigen Leitfähigkeitseigenschaften liegen sie zwischen Leitern und Nichtleitern.
Semiconductors werden zum Bau nahezu aller elektronischen Geräte verwendet und finden Anwendung in den meisten relevanten Sektoren, wie etwa in der Automobilindustrie, der Unterhaltungselektronik, der Kommunikationsausrüstung und in Unternehmenssystemen.