Was ist ein Halbleiter? Ein Elektroingenieur erklärt, wie diese wichtigen elektronischen Komponenten funktionieren und wie sie hergestellt werden

Jun 03, 2023

Professor für Elektrotechnik, Arizona State University

Trevor Thornton arbeitet nicht für Unternehmen oder Organisationen, die von diesem Artikel profitieren würden, berät sie nicht, besitzt keine Anteile an ihnen und erhält keine Finanzierung von diesen und hat über ihre akademische Anstellung hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.

Die Arizona State University stellt als Mitglied von The Conversation US finanzielle Mittel bereit.

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Halbleiter sind ein wichtiger Bestandteil fast aller modernen elektronischen Geräte, und die überwiegende Mehrheit der Halbleiter wird in Tawain hergestellt. Zunehmende Bedenken hinsichtlich der Abhängigkeit von Taiwan bei Halbleitern – insbesondere angesichts der schwierigen Beziehungen zwischen Taiwan und China – führten dazu, dass der US-Kongress Ende Juli 2022 das CHIPS- und Wissenschaftsgesetz verabschiedete. Das Gesetz sieht Subventionen in Höhe von mehr als 50 Milliarden US-Dollar vor, um die US-Halbleiterindustrie anzukurbeln Produktion und wurde ausführlich in den Nachrichten behandelt. Trevor Thornton, ein Elektroingenieur, der sich mit Halbleitern beschäftigt, erklärt, was diese Geräte sind und wie sie hergestellt werden.

Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff Halbleiter auf ein Material – wie Silizium –, das Elektrizität viel besser leiten kann als ein Isolator wie Glas, jedoch nicht so gut wie Metalle wie Kupfer oder Aluminium. Aber wenn man heute von Halbleitern spricht, meint man meist Halbleiterchips.

Diese Chips bestehen typischerweise aus dünnen Siliziumscheiben, auf denen komplexe Komponenten in bestimmten Mustern angeordnet sind. Diese Muster steuern den Stromfluss mithilfe elektrischer Schalter – sogenannter Transistoren – auf die gleiche Weise, wie Sie den elektrischen Strom in Ihrem Zuhause steuern, indem Sie einen Schalter umlegen, um ein Licht einzuschalten.

Der Unterschied zwischen Ihrem Haus und einem Halbleiterchip besteht darin, dass Halbleiterschalter vollständig elektrisch sind – es gibt keine mechanischen Komponenten, die umgelegt werden müssen – und die Chips zig Milliarden Schalter auf einer Fläche enthalten, die nicht viel größer als die Größe eines Fingernagels ist.

Halbleiter sind die Art und Weise, wie elektronische Geräte Informationen verarbeiten, speichern und empfangen. Speicherchips speichern beispielsweise Daten und Software als Binärcode, digitale Chips manipulieren die Daten anhand der Softwareanweisungen und drahtlose Chips empfangen Daten von Hochfrequenzfunksendern und wandeln sie in elektrische Signale um. Diese verschiedenen Chips arbeiten softwaregesteuert zusammen. Verschiedene Softwareanwendungen führen sehr unterschiedliche Aufgaben aus, aber alle funktionieren durch das Schalten der Transistoren, die den Strom steuern.

Der Ausgangspunkt für die überwiegende Mehrheit der Halbleiter ist eine dünne Siliziumscheibe, ein sogenannter Wafer. Heutige Waffeln haben die Größe von Esstellern und werden aus einzelnen Siliziumkristallen geschnitten. Hersteller fügen Elemente wie Phosphor und Bor in einer dünnen Schicht auf der Siliziumoberfläche hinzu, um die Leitfähigkeit des Chips zu erhöhen. In dieser Oberflächenschicht werden die Transistorschalter hergestellt.

Die Transistoren werden hergestellt, indem dem gesamten Wafer dünne Schichten aus leitenden Metallen, Isolatoren und mehr Silizium hinzugefügt werden, mithilfe eines komplizierten Prozesses namens Lithographie Muster auf diesen Schichten skizziert werden und diese Schichten dann mithilfe computergesteuerter Plasmen aus hochreaktiven Gasen selektiv entfernt werden, um sie zu hinterlassen spezifische Muster und Strukturen. Da die Transistoren so klein sind, ist es viel einfacher, Materialien schichtweise hinzuzufügen und dann unerwünschtes Material vorsichtig zu entfernen, als mikroskopisch dünne Metalllinien oder Isolatoren direkt auf dem Chip zu platzieren. Durch das Dutzende Abscheiden, Strukturieren und Ätzen von Schichten aus verschiedenen Materialien können Halbleiterhersteller Chips mit Dutzenden Milliarden Transistoren pro Quadratzoll herstellen.

Es gibt viele Unterschiede, aber der wichtigste ist wahrscheinlich die Erhöhung der Anzahl der Transistoren pro Chip.

Zu den frühesten kommerziellen Anwendungen für Halbleiterchips gehörten Taschenrechner, die in den 1970er Jahren weit verbreitet waren. Diese frühen Chips enthielten einige tausend Transistoren. 1989 stellte Intel die ersten Halbleiter vor, die mehr als eine Million Transistoren auf einem einzigen Chip enthielten. Heute enthalten die größten Chips mehr als 50 Milliarden Transistoren. Dieser Trend wird durch das sogenannte Mooresche Gesetz beschrieben, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle 18 Monate verdoppelt.

Moores Gesetz hat sich fünf Jahrzehnte lang bewährt. Doch in den letzten Jahren musste die Halbleiterindustrie große Herausforderungen meistern – vor allem die Frage, wie die Größe von Transistoren weiter verringert werden kann –, um dieses Tempo des Fortschritts fortzusetzen.

Eine Lösung bestand darin, von flachen, zweidimensionalen Schichten auf eine dreidimensionale Schichtung umzusteigen, bei der flossenförmige Siliziumwülste über die Oberfläche hinausragen. Diese 3D-Chips haben die Anzahl der Transistoren auf einem Chip erheblich erhöht und sind mittlerweile weit verbreitet, allerdings sind sie auch viel schwieriger herzustellen.

Einfach ausgedrückt: Je komplizierter der Chip, desto komplizierter – und teurer – ist die Fabrik.

Es gab eine Zeit, in der fast jedes US-amerikanische Halbleiterunternehmen seine eigenen Fabriken baute und unterhielt. Doch heute kann der Bau einer neuen Gießerei mehr als 10 Milliarden US-Dollar kosten. Nur die größten Unternehmen können sich eine solche Investition leisten. Stattdessen schicken die meisten Halbleiterunternehmen ihre Entwürfe zur Herstellung an unabhängige Gießereien. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. und GlobalFoundries mit Hauptsitz in New York sind zwei Beispiele für multinationale Gießereien, die Chips für andere Unternehmen herstellen. Sie verfügen über das Fachwissen und die Skaleneffekte, um in die äußerst teure Technologie zu investieren, die für die Herstellung von Halbleitern der nächsten Generation erforderlich ist.

Obwohl der Transistor und der Halbleiterchip in den USA erfunden wurden, gibt es ironischerweise derzeit keine hochmodernen Halbleitergießereien auf amerikanischem Boden. Die USA waren bereits in den 1980er Jahren hier, als es Bedenken gab, dass Japan das globale Speichergeschäft dominieren würde. Doch mit dem neu verabschiedeten CHIPS-Gesetz hat der Kongress Anreize und Möglichkeiten für die Herstellung von Halbleitern der nächsten Generation in den USA geschaffen

Vielleicht werden die Chips in Ihrem nächsten iPhone „von Apple in Kalifornien entworfen, in den USA gebaut.“