Halbleiter

Halbleiter sind Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Isolatoren und Leitern liegt. Sie lässt sich durch äußere Einflüsse wie Temperatur, Licht oder Dotierung gezielt steuern. In der Festkörperphysik spielt die Bandstruktur eine Rolle: Das Verhältnis von Valenz- und Leitungsband bestimmt die Verfügbarkeit freier Ladungsträger. Reine Halbleiter zeigen eine geringe Leitfähigkeit, die mit Temperatur ansteigt; durch Dotierung mit Donoren oder Akzeptoren entstehen n- bzw. p-Typ-Halbleiter und PN-Übergänge.

Die verbreitetsten Halbleiterstoffe sind Silizium und Germanium. In der Industrie dominieren Siliziumwafer. Wichtige Materialien neben Si sind GaAs, GaN, SiC und GeSn. Herstellung erfolgt durch Kristallzüchtung (Czochralski, Float-Zone) und durch epitaktische Schichtaufbauten. Reinheit und Defektkontrolle sind entscheidend. Mikrosysteme werden durch Fotolithographie, Ätzen und Reaktivätzen hergestellt.

Zu den Bauelementtypen gehören Dioden, Bipolartransistoren (BJT) und Feldeffekttransistoren (FET). Transistoren ermöglichen Verstärkung und Rechenlogik; integrierte Schaltungen kombinieren Milliarden von Bauelementen auf einem Chip. Halbleiterbauelemente lassen sich durch Dotierung, Geometrie, Temperatur und elektrische Felder steuern.

Anwendungsbereiche umfassen Computertechnik, Speicher, Telekommunikation, Sensorik, Medizintechnik, Solarzellen und Displaytechnologie. Historisch bedeutend waren die Transistorentdeckung 1947 und die Entwicklung integrierter Schaltungen in den 1950er/1960er Jahren. Moore’s Gesetz beschreibt den Trend zunehmender Transistorendichte. Gegenwärtig arbeiten Forscher an neuen Materialien, 3D-Strukturierung und energieeffizienten Technologien.