Halbleitersysteme

Halbleitersysteme bezeichnet die Gesamtheit von Bauteilen und Systemen, die Halbleitermaterialien nutzen, um elektrische Signale zu steuern, zu verarbeiten oder zu messen. Typisch sind integrierte Schaltkreise, Sensoren, Leistungs- und Optoelektronikbausteine, die in nahezu allen modernen elektronischen Geräten vorkommen.

Hauptmaterialien sind Silizium, Germanium sowie Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitride (GaN) und Siliziumcarbid (SiC). Durch Dotierung mit Akzeptoren oder Donatoren erhält man p- oder n-Typ-Halbleiter. Die elektrischen Eigenschaften hängen stark von der Bandstruktur, dem Bandabstand und der Temperatur ab.

Die grundlegenden Bauelemente sind p-n-Übergänge (Dioden) und Transistoren (BJT, MOSFET), aus denen Logikgatter und Verstärker entwickelt werden. Auf der Ebene integrierter Schaltungen werden Millionen bis Milliarden von Transistoren auf einem Halbleiter-Wafer vereint.

Herstellung erfolgt im Reinraum durch Wafer-Fabrikation: Abscheidung von Schichten (z. B. CVD, PVD), Lithographie, Ionendiffusion oder Ionenimplantation, Ätzen und Metallisierungen. CMOS ist das dominierende Prozess- und Architekturschema, wobei Skalierung, Energieeffizienz und Variation zentrale Herausforderungen darstellen.

Anwendungen umfassen Computer- und Kommunikationssysteme, Mobilgeräte, Automobil- und Industrieelektronik, Photovoltaik, LED-Technik, Sensorik sowie Medizintechnik. Halbleitersysteme ermöglichen Leistungselektronik, digitale Logik, analoge Signalverarbeitung, Optoelektronik und Sensorik.

Trends und Herausforderungen: Moore’sches Gesetz spielte lange eine Rolle; Limits bei weiterer Miniaturisierung, Wärmehaushalt, Variabilität und Fertigungstoleranzen. Neue Materialien, 3-D-Integration, heterogene Integration und fortschrittliche Pack- und Verifizierungsmethoden stehen im Fokus.