Halbleiterelektronik

Die Halbleiterelektronik ist der Teil der Elektronik, der sich allgemein mit Entwicklung, Herstellung und Anwendung von elektronischen Bauelementen auf Basis von Halbleitern beschäftigt. Sie ist Nachfolger der Röhrenelektronik. Die Physik der Bauelemente ist Teil der Halbleiterphysik oder Festkörperphysik und verwandten Fachgebieten wie der Nanoelektronik.

Die Halbleiterelektronik ermöglicht seit den 1950er Jahren Rechner bzw. moderne Computer. Der Grad der Integration von Halbleiterelektronik beschreibt die Mikrostrukturierung der Bauelemente. Den Trend dieser Technologie beschreibt man mittels der Technologieknoten, wobei man seit den 2010er Jahren im Sub-Nanometerbereich (< 10 nm) angekommen ist.

Grundprinzip

Bei auf Halbleitermaterialien basierten Bauelementen wird unter anderem und im trivialsten Fall ausgenutzt, dass sich die Ladungsträgerverteilung von Elektronen und Defektelektronen (Löchern) in Abhängigkeit von elektrischen Strömen und Spannungen beeinflussen lässt. Durch Kombination von unterschiedlich und unterschiedlich stark dotierten Bereichen in einem Halbleiter und einer entsprechenden Ansteuerung können so beispielsweise gezielt elektrische Ströme ohne Bewegung von mechanischen Teilen (vgl. Relais) geschaltet werden. Die Halbleiterelektronik ergänzt sich mit der Akustoelektronik, der Magnetoelektronik und vor allem der Optoelektronik. Die Photovoltaik ist ein weiterer Anwendungsbereich von Halbleiterbauelementen.

Bauelemente

Zu den Bausteinen der Halbleiterelektronik und speziell der Digitallogik zählen (seit 1960er Jahren) CMOS, FET, (seit 2010er Jahren) FinFET und die modernen (seit 2020er Jahren) Gate-All-Around FET (GAAFET)-Transistoren, welche zu komplexen Prozessoren oder anderen ICs (Analog/Digital) zusammengeschaltet werden. Auch die Speichertechnologie hat sich durch integrierte Bauelemente weiterentwickelt. Ein Meilenstein dabei waren FLASH-Speicher. Ebenfalls sind eine Vielzahl von Hochfrequenzbauteilen erfunden worden, wie z. B. die Gunn- oder IMPATT-Dioden, welche innerhalb eines Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) integriert werden können.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Des Weiteren wurden die halbleiterbasierten Laser erfunden, vgl. auch Heteroübergang. Viele weitere optisch-elektrische Bauelemente existieren, darunter auch CCD-Sensoren u. a., welche teilweise eigenständige Systeme auf einem Chip (SoC) darstellen. Zudem spielen Leistungsbauteile wie IGBTs eine zunehmend wichtigere Rolle.

Weitere Bauelemente existieren in oder aus den Teilgebieten:

III-V-Verbindungshalbleiter
II-VI-Verbindungshalbleiter
Halbleiter mit breitem Bandabstand
Nanotechnologie
Quantenpunkt
Quantenelektronik (heute die Quantenoptik)
Quantentunneleffekt

Elektronische Bauteile werden in Modelle bzw. Ersatzschaltbilder überführt und anschließend zu Simulationszwecken eingesetzt, beispielsweise mit SPICE.

Geschichte

{{#invoke:Vorlage:Siehe auch|f}} Die wesentliche Aufgabe der Halbleiterelektronik war daher seit ihren Anfängen Mitte des 20. Jahrhunderts die Entwicklung und Anwendung von Halbleiterbauelementen, wie der Halbleiterdiode, dem Transistor oder dem Thyristor. Diese erfolgte zunächst in Form von einzelnen (diskreten) Bauelementen die anschließend mithilfe von Leiterplatten zu elektronischen Schaltungen zusammengefügt wurden. Ab Anfang der 1970er Jahre, wurden dann viele dieser einzelnen Bauelemente gleichzeitig auf einem Halbleitereinkristall gefertigt. Diese ersten integrierten Schaltkreise (ICs) waren der Beginn der Mikroelektronik, welche mittels den rechnerbasierten Methoden und Verfahren der Electronic Design Automation (EDA) entwickelt wird. Mittels EDA-Werkzeugen werden Mikroprozessen und andere IC-Bausteine oder Geräte oder Systeme entwickelt und in einer Halbleiterfabrik hergestellt.

Literatur

{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}

Einzelnachweise