Sexl Physik 7, Schulbuch

Wir befinden uns mitten im sogenannten Informationszeitalter, welches maßgeb- lich auf der Entwicklung der Mikroelektronik beruht. Der Masseneinsatz klein- ster elektronischer Bauelemente hat die Welt drastisch verändert. Sie spielen z. B. im Bereich der Sensorik (als „elektronische Sinnesorgane“ z. B. zur Abstandsmes- sungen im Auto, …) oder bei der Entwicklung von leistungsfähigen Datenspeichern eine wesentliche Rolle. Auch Handys können immer mehr – vom Telefonieren und Fotografieren übers Surfen im Internet bis hin zu unzähligen Apps – sie sind leis- tungsfähige, kleine 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. Mit ihm wurden die Voraussetzungen für in- tegrierte Schaltungen ( integrated circuits , IC ) geschaffen. ICs sind elektronische Schaltungen, deren Komponenten zusammen mit ihren Stromleitungen direkt auf Halbleiterplättchen in vielen Schritten schichtweise aufgebaut werden. Ein IC ent- hält eine Kombination von zahlreichen (viele Milliarden) elektronischen Halblei- terbauelementen wie Transistoren und Dioden, die auf wenigen Quadratmillime- tern Platz finden. Die Verkleinerung der einzelnen Bauteile verlief dabei höchst dynamisch. Bereits 1965 sagte G ORDON M OORE (Mitbegründer des weltgrößten Halbleiterherstellers INTEL) voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Chip etwa alle 18 Monate verdoppeln werde ( 29.1 ). Dieses „Moore’sche Gesetz“ gilt (je nach Auslegung) noch heute, die neuesten Chipgenerationen enthalten bis zu fünf Milliarden Transistoren pro Chip. Gleichzeitig wuchs die Schaltgeschwindig- keit der Transistoren und der daraus hergestellten Schaltungen ebenfalls exponen- tiell. Derzeit werden die Prozessoren aus physikalischen Gründen (Wärme, Länge der Signalwege, …) kaum mehr schneller, stattdessen werden zur Erreichung grö- ßerer Leistung mehrere Prozessoren parallel geschaltet. 28.3 Neben den Bausteinen (Diode, Transistor, Widerstand, …) sind es die integrierten Schaltkreise, die anwen- dungsspezifisch (im Handy z. B. für Senden und Empfangen, im Auto zur ABS-Kontrolle, Airbag-Auslösung, …) als auch frei programmierbar im PC (CPU) und als Datenspeicherbaustein verwendet werden. Im Bild: Handyplatine 28.1 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? ? Welche physikalischen Grenzen sind der Miniaturisierung gesetzt? 28.2 Eine Ameise trägt einen Mikrochip (Rasterelektronenmikroskopaufnahme). Halbleiterbauelemente sind nicht unzer- störbar. Durch die geringen Abmessungen wirkt sich die thermische Verlustleistung stark aus. Die Bauteile werden sehr heiß. Gerade bei Mikroprozessoren werden da- durch der Miniaturisierung Grenzen ge- setzt. 28 ERWEITERUNG Halbleiter In diesem Kapitel erfährst du − was Halbleiter sind und wo sie eingesetzt werden, − was man unter Mikroelektronik versteht und auf welche Weise sie unseren Alltag beeinflusst, − welche physikalischen Grenzen der Miniaturisierung gesetzt sind. 3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv