Einführung in die Halbleiterindustrie und heiße Branchentrends des Jahres 2022

Halbleiter sind die treibende Kraft der modernen Elektronik und die Hauptvoraussetzung für unsere Kommunikations-, Computer-, Energie-, Transport-, IoT-Systeme und vieles mehr. In fast jedem Gerät, das uns umgibt, steckt ein Halbleiter, so dass ihre Bedeutung in der Welt der Technologie gar nicht hoch genug eingeschätzt werden kann. In diesem Artikel versuchen wir, den Begriff "Halbleiter" zu erklären und herauszufinden, was sich hinter diesem wichtigen Element verbirgt und welche Trends seine Entwicklung heutzutage vorantreiben.

Was ist ein Halbleiter?

Ein Halbleiter ist, wie der Name schon sagt, ein Material, dessen elektrisches Verhalten zwischen Leitern und Isolatoren liegt. Leiter sind Stoffe, die Elektrizität leicht übertragen, während Isolatoren Elektrizität nur schlecht übertragen. 

In der Halbleiterindustrie wird hauptsächlich Silizium verwendet. Silizium ist ein guter Leiter, verfügt jedoch nicht über die notwendigen Eigenschaften, um einen nützlichen Transistor zu erzeugen. Um dies zu ändern, fügen die Hersteller der Siliziumkristallstruktur Verunreinigungen hinzu. Verunreinigungen sind Atome, die nicht zur regelmäßigen Anordnung des Kristallgitters gehören. Durch das Hinzufügen dieser Verunreinigungen können die Hersteller steuern, wie leicht sich die Elektronen und Löcher durch das Silizium bewegen. 

Silizium ist die Grundlage für alle modernen elektronischen Geräte. Die Transistortechnologie wurde zunächst mit Germanium entwickelt, einem Halbleiter mit ähnlichen Eigenschaften wie Silizium. Germanium wird auch heute noch verwendet, doch Silizium ist viel einfacher zu verarbeiten. Aus diesem Grund ist Silizium immer noch das dominierende Halbleitermaterial.

Die verschiedenen Arten von Halbleitern

Halbleiter werden danach klassifiziert, ob sie intrinsisch oder extrinsisch sind. Intrinsisch bedeutet, dass in dem Material keine Verunreinigungen vorhanden sind. Extrinsisch bedeutet, dass das Material eine Verunreinigung (Dotierung) benötigt, um leitfähig zu werden und daher als Halbleiter betrachtet wird.

Intrinsischer Halbleiter (reiner Typ) 

Intrinsischen Halbleitern werden keine zusätzlichen Dotierungselemente hinzugefügt. Diese Materialien müssen nicht von außen aufgeladen werden, bevor sie Strom leiten. Intrinsische Halbleitermaterialien werden oft auch als Bulk-Materialien bezeichnet. Beispiele für intrinsische Halbleiter sind Silizium (Si) und Germanium (Ge).

Extrinsischer Halbleiter (unreiner Typ)

Extrinsische Halbleiter sind solche, die eine Dotierung benötigen, um sie leitfähig zu machen. Ein Beispiel für einen extrinsischen Halbleiter wäre Galliumarsenid, das häufig in Transistoren verwendet wird. Hier wurden Arsenatome in die Kristallstruktur von Gallium eingefügt, um positive Ladungen, so genannte Akzeptorzustände, zu erzeugen. Diese Zustände wirken als Elektronenfallen, wodurch der Halbleiter elektrisch leitfähig wird.

• N-Typ-Halbleiter sind solche, die Elektronen als Ladungsträger haben. Damit sie leitfähig sind, müssen sie mit bestimmten Elementen dotiert werden. Eines der am häufigsten verwendeten Dotierungsmittel ist Arsen. Arsen wird dem Halbleiter zugesetzt, um eine negative Ladung zu erzeugen, die als Elektron-Loch-Paar bezeichnet wird.
• P-Typ-Halbleiter haben positive Ladungen als Ladungsträger. Um leitfähig zu sein, müssen sie mit bestimmten Metallen dotiert werden. Aluminium wird häufig zur Dotierung eines p-Typ-Halbleiters verwendet.

Die Bedeutung von Halbleitern in der IT-Industrie

Die IT-Industrie kann nicht von der Entwicklung der Halbleiterindustrie getrennt werden. Beispiele für Halbleiter sind Transistoren, MOSFETs, ICs und Dioden. Eines der Halbleitermaterialien, die bei der Entwicklung digitaler Geräte (logikbasierte Schaltungen) häufig verwendet werden, ist der Transistor. 

Die Erfindung des Transistors im Jahr 1947 trug dazu bei, dass die Computer der zweiten Generation kleiner, schneller, zuverlässiger und energieeffizienter wurden als ihre Vorgänger. Es war die Ära, in der die massive Verbreitung von Transistoren einsetzte, die von Shockley sowie von Fairchild Semiconductor, einem Unternehmen, das als Pionier der IC- und Transistorhersteller gilt, vorangetrieben wurde. 

In den frühen 1960er Jahren tauchten die Computer der zweiten Generation in der Wirtschaft, an Universitäten und in Behörden auf. Bei diesen Computern der zweiten Generation handelt es sich um Computer, die vollständige Transistoren verwenden. Daraus entstand die nächste Generation von Computern, die hardwarebasierte LSI, VLSI, ULSI für Supercomputer verwenden. Die Entstehung der Computernetzwerktechnologie sowie des Internets, das ebenfalls von halbleiterbasierten Geräten unterstützt wird, führte die IT-Technologie in den modernen Entwicklungsstand, wie wir ihn heute kennen.

Halbleiter in der Hardware-Entwicklung

Halbleiter haben die elektronische Hardware revolutioniert, insbesondere seit der Erfindung des Transistors. Halbleiter machen Hardware kompakter und führen zu besseren Rechenleistungen. Dies hat zur Folge, dass elektronische Komponenten nun leichter zu erschwinglichen Preisen auf dem Markt erhältlich sind. Auf diese Weise können Entwickler leichter Forschung betreiben und Innovation auf den Markt zu bringen.  

LANARS bietet Hardware-Entwicklungsdienste für die Entwicklung neuer Produkte und Geschäftsbereiche sowie für die Verbesserung bestehender Produkte. 

Der Halbleiter, allgemein als Chipsatz bekannt, ist hierbei die wichtigste Komponente. Trotz ihrer geringen Größe sind Halbleiterchips die Gehirne eines elektronischen Systems. In digitalen Geräten sind Halbleiter erforderlich, um die Geschwindigkeit der digitalen Signalverarbeitung zu erhöhen, einschließlich des Speichers für die Datenspeicherung. 

Vorteile und Nachteile der Verwendung von Halbleitern

Vorteile bei der Nutzung von Halbleitern

1. Halbleiter machen das Gerät intelligenter. Ein solches Gerät kann als digitales Gerät eingestuft werden, da es einen "Gehirn"-Controller hat
2. Kleinere Grundfläche (kompakteres Gerät)
3. Mehr Möglichkeiten für verschiedene Entwicklungen (vom Taschenrechner bis zum Minicomputer)

Nachteile bei der Nutzung von Halbleitern

1. Komplexer im Designprozess
2. Erfordert höhere Fähigkeiten und Kenntnisse der Entwickler
3. Erfordert sorgfältige Handhabung, da es empfindlich auf die Elektrostatik reagiert

Trends in der Halbleiterindustrie

Da wir uns nun im Zeitalter der Industrie 4.0 befinden, steigt der Bedarf an Halbleiterchips weiter an. Die Halbleiterindustrie gilt außerdem als der wichtigste Faktor für die Beschleunigung des digitalen Wandels. Die Entwicklung von Computern, der Telekommunikationsindustrie, der Automobiltechnik, insbesondere von Elektrofahrzeugen (EVs), sowie die Digitalisierung in vielen Bereichen erfordern die Bereitschaft der Halbleiterindustrie, die erforderlichen Ressourcen bereitzustellen.

Die Auswirkungen der Pandemie

Inmitten der steigenden Nachfrage nach Halbleitern wirkte sich die weltweite COVID-19-Pandemie im Jahr 2020 mit ihren Lockdown-Regeln fast auf die gesamte Branche aus. Dadurch wurde auch das Angebot an Halbleitern beeinträchtigt, was zu einer Verringerung des Angebots führte, was wiederum Auswirkungen auf andere Branchen hatte. Zu den betroffenen Branchen gehören Computer, Smart-TVs, Smartphones, Tablets, Spielkonsolen und verschiedene elektronische Gadgets bis hin zur Autoindustrie. 

Andererseits stieg aufgrund der COVID-19-Pandemie auch der Bedarf an Computern und Gadgets im Rahmen der School-from-Home- oder Work-from-Home-Richtlinien. Dieser Umstand führt dazu, dass die Halbleiterpreise seit dem Jahr 2020 steigen und zwar bis zum heutigen Tag. Die Folge ist, dass die großen Anbieter von Halbleiterchipsätzen wie TSMC im Jahr 2021 aufgrund der Verknappung des weltweiten Angebots an Chipsätzen tatsächlich Gewinne erzielen.

Branchenprognose

Einem Bericht des Marktforschungsunternehmens TrendForce zufolge werden die 10 größten Chipsatzhersteller zusammengenommen im Jahr 2021 einen Gesamtumsatz von 127,4 Milliarden US-Dollar erzielen. Diese Zahl entspricht einem Anstieg von 48% im Vergleich zum Vorjahr. Was das Jahr 2022 selbst betrifft, so rechnen einige Beobachter laut Deloitte damit, dass der Umsatz mit Halbleitern wieder um 10 % steigen wird und 2022 zum ersten Mal die Marke von 600 Mrd. US$ überschreiten könnte. Auch in Zukunft werden die Halbleitertrends von verschiedenen Industrien benötigt, obwohl eine wirtschaftliche Unsicherheit vorhergesagt wird, wird erwartet, dass sich die Verfügbarkeit von Chipsätzen auch 2023 wieder erholen wird.

Trends in der Halbleitertechnologie

Das Ende des Mooreschen Gesetzes?

Das Mooresche Gesetz, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren in integrierten Schaltkreisen (IC) jedes Jahr verdoppelt, wird von der Halbleiterindustrie als Referenz verwendet, um ihre Forschungs- und Entwicklungsziele festzulegen. Ein Beweis dafür ist die Entstehung von Mikroprozessoren, deren Leistungsfähigkeit jedes Jahr zunimmt. Aber auch das Mooresche Gesetz stößt irgendwann an eine undurchdringliche Grenze. Die Steigerung der Computerleistung durch zusätzliche Transistoren erfolgte bisher durch eine Verkleinerung des Transistors, damit mehr auf die gleiche Fläche passt. Vor einigen Jahren stellte der Physiker Michio Kaku fest, dass es einen Punkt gibt, an dem das für die Herstellung des Transistors verwendete Siliziummaterial - oder ein Ersatz dafür - nicht mehr weiter verkleinert werden kann. 

Entwicklung neuer Materialien

Mehrere Studien initiierten die Verwendung anderer Materialien für die Entwicklung von Halbleitern. Halbleitermaterialien der dritten Generation, wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), versprechen hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Durchbruchspannung, hohe Frequenz, hohe Leistung und hohe Strahlungsbeständigkeit. 

Allerdings war die Verwendung dieser Materialien aufgrund ihrer komplexen Verarbeitungsmethoden und hohen Kosten lange Zeit auf ein schmales Spektrum von Bereichen beschränkt. 

In den letzten Jahren trugen Durchbrüche bei der Materialzüchtung und der Herstellung von Bauelementen dazu bei, die Kosten für Halbleitermaterialien der dritten Generation zu senken, was eine breitere Palette von Anwendungen ermöglicht. So kamen zum Beispiel SiC-basierte Geräte für Auto-Wechselrichter und GaN-basierte Schnellladegeräte auf den Markt.

Zu den Halbleitertechnologietrends, die ebenfalls zur Verbesserung der Chipkapazitäten diskutiert werden, gehören paralleles Rechnen, Quantencomputer und Proteincomputer, die mit DNA arbeiten.

Zusammenfassung

Ein Halbleiter ist ein Material, dessen elektrische Eigenschaften zwischen Leitern und Isolatoren liegen. Halbleiter führten zu drastischen Veränderungen in der technologischen Entwicklung der Menschheit. Von Shockley und Fairchild, die Transistoren herstellen, über große Hersteller von Chipsätzen bis hin zu Giganten wie Intel, die Halbleiter verwenden, um neue Technologien zu schaffen, die eine äußerst wichtige Rolle bei der Entwicklung von Computern, Gadgets, Haushaltsgeräten, Automatisierung, Telekommunikation und so weiter spielen. 

Der durch das Mooresche Gesetz proklamierte technologische Trend trat bereits ein, und man geht davon aus, dass auch die Anzahl der Transistordichten auf einem Wafer schon bald erreicht werden wird. Daher gibt es verschiedene Entwicklungsprozesse, die darauf abzielen, die Halbleiter zu maximieren, wie z.B. die Verwendung von Materialien der dritten Generation, Quantencomputer usw. Halbleiter werden weiterhin von verschiedenen Branchen benötigt und auch wenn wirtschaftliche Unsicherheiten vorhergesagt werden, so wird dennoch erwartet, dass sich die Verfügbarkeit von Chipsätzen oder Halbleitern im Jahr 2023 erholen wird.