Sexl Physik 7, Schulbuch

| 92 Wir befinden uns mitten im so genannten Informationszeitalter, welches maßgeb- lich auf der Entwicklung der Mikroelektronik beruht. Der Masseneinsatz kleinster elektronischer Bauelemente hat die Welt drastisch verändert. Handys z. B. können immer mehr – vom Telefonieren und Fotografieren übers Surfen im Internet bis hin zu unzähligen Apps – sie sind nun leistungsfähige, kompakte Computer. Der Aufbau der Bauelemente und die dabei verwendeten Materialien blieben dabei über viele Jahre hinweg nahezu unverändert. Bislang gelang es, die Abmessungen der einzelnen Bauelemente immer mehr zu verringern, um so die Anzahl pro Flä- cheneinheit und damit die Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Inzwischen setzen phy- sikalische Effekte der Miniaturisierung Grenzen und neuartige, maßgeschneiderte Materialien stehen im Zentrum der Forschung. Die Geschichte der Mikroelektronik begann in der Mitte des 20. Jahrhunderts mit dem ersten Germanium-Transistor ( 96.2 ). Mit ihm wurden die Voraussetzungen für integrierte Schaltungen geschaffen ( integrated circuits , IC ), die Bestandteil jedes Mikrochips sind. Die Miniaturisierung verlief dabei höchst dynamisch. Be- reits 1965 sagte G ordon M oore (Mitbegründer des weltgrößten Halbleiterherstell- ers INTEL) voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Chip etwa alle 18 Monate verdoppeln werde. Dieses „Moore’sche Gesetz“ gilt noch heute, die neues- ten Chipgenerationen enthalten mehrere hundert Millionen Transistoren pro Chip. Gleichzeitig wuchs die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren und der daraus hergestellten Schaltungen ebenfalls exponentiell: Während ein 1973 hergestellter Prozessor noch langsamer als 1 MHz war, wurde nur 25 Jahre später bereits die 1 GHz -Grenze durchbrochen. Derzeit werden die Prozessoren aus physikalischen Gründen (Wärme, Signalwege, …) kaum mehr schneller, stattdessen werden zur Erreichung größerer Leistung mehrere Prozessoren parallel geschaltet. 4.1 Was sind Halbleiter? Dioden, Transistoren und ICs sind so genannte Halbleiterbauelemente . Halbleiter sind Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Isolatoren (z. B. Hartgummi) und der von metallischen Leitern (z. B. Kupfer) liegt (vgl. 92.3 ). Halbleiter haben eine besondere Eigenschaft: Sie sind bei tiefen Temperaturen Isolatoren, ihre Leitfähigkeit nimmt – im Gegensatz zu Metallen – mit steigender Temperatur zu. Reine Halbleiter Die wichtigsten Halbleiter sind Silicium und Germanium . Sie stehen im Perioden- system in der 4. Hauptgruppe zwischen Kohlenstoff, der als Diamantkristall ein Isolator ist, und dem metallischen Zinn. Wodurch kommen die unterschiedlichen Eigenschaften der im Festkörper gebundenen Atome von Kohlenstoff, Silicium, Germanium und Zinn zu Stande? 4 Halbleiter In diesem Kapitel erfährst du − was Halbleiter sind, − wie Photodioden, Solarzellen und LEDs funktionieren, − wie eine Digitalkamera aufgebaut ist, − was man unter Mikroelektronik versteht, − auf welche Weise die Mikroelektronik maßgeblich unseren Alltag beein- flusst, − welche physikalischen Grenzen der Miniaturisierung gesetzt sind. 92.1 Ultra-dünner, flexibler Siliciumwafer für Anwendungen in Handys, Hörgeräten und Smart Labels. Die Miniaturisierung elektroni- scher Bauteile verändert die Welt, durch sie werden immer neue technische Anwendungen möglich. Welche Rolle spielen dabei Halbleiter bzw. wie funktionieren sie? Welche physikali- schen Grenzen sind der Miniaturisierung ge- setzt? Die Antworten auf diese Fragen findest du in diesem Kapitel. 92.2 Eine Ameise trägt einen Mikrochip (Rasterelektronenmikroskopaufnahme) Die Produktionskosten eines Transistors bewegen sich heute im Bereich weniger „Nanodollar“. Zum Vergleich: 1980 dauerte ein Flug von Europa an die Ostküste der USA ca. 7 Stunden und kostete rund 800 $. Hätte sich das Flugwesen seit dieser Zeit genauso entwickelt wie die Mikroelektro- nik, dann würden wir heute dieselbe Stre- cke mit annähernd Lichtgeschwindigkeit in weniger als einer Sekunde für weniger als einen Cent fliegen. Material spezifischer Widerstand ( Ω m) bei 20°C Isolatoren Hartgummi 10 16 Quarzglas 10 14 Halbleiter reines Silicium 10 2 reines Germanium 1 dotiertes Silicium 10 –1 … 10 –3 Leiter Kupfer, Silber 10 –8 92.3 Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv