Die Geschichte der Halbleiterelektronik

Inhaltsverzeichnis

1. Von der Entdeckung des Siliziums zur modernen Halbleiterelektronik
2. Wie alles begann: Die Entdeckung des Siliziums
3. Ein Meilenstein: die Erfindung des Transistors
4. Halbleitertechnik der Zukunft: Die ersten Chips
5. Mikroprozessoren & Mikrocontroller: Grundbausteine unseres technisierten Alltags
6. Die Zukunft der Halbleitertechnologie

Von der Entdeckung des Siliziums zur modernen Halbleiterelektronik

Die Halbleitertechnik ist aus unserem Leben und unserem technisierten Alltag nicht mehr wegzudenken. Beispiele für ihre Anwendung sind nicht nur Geräte und Anlagen in der Industrie. Man denke an die Entwicklungen im Bereich des bargeldlosen Zahlens, an unsere Gadgets im Auto und nicht zuletzt an Tablets, Laptops, Smartphones und Co. Auch die Digitalisierung wäre ohne die Entdeckungen auf diesem Gebiet der Technik nicht möglich gewesen. Doch wie hat sich dieses hochkomplexe Segment der Elektronik eigentlich entwickelt? Im Magazinbeitrag lesen Sie die spannende Geschichte der Halbleiterelektronik – von ihren Anfängen bis heute.

Der schwedische Chemiker und Mediziner Jöns Jakob Berzelius war es schließlich, der im Jahr 1824 das Silizium in seiner elementaren Form definieren konnte. Und er war es auch, der dem Halbmetall seinen Namen gab.

Das Silizium zu einem der bestimmenden Halbleitermaterialien in elektronischen Schaltkreisen werden würde, war damals natürlich noch nicht abzusehen. Seine Eigenschaften als Halbmetall und Halbleiter wurden zwar nach und nach erkannt; doch in der frühen Elektrotechnik wurde noch auf andere Materialien gesetzt, wie etwa auf Germanium.

Ab der Entdeckung des Gleichrichtereffekts 1874 durch Karl Ferdinand Braun kam den Halbleitern vermehrt Bedeutung zu: Sie wurden fortan eingesetzt, um Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umzuwandeln. Weitere Entwicklungen in der Halbleitertechnik ließen aber bis Mitte des 20. Jahrhunderts auf sich warten

Ein Meilenstein: die Erfindung des Transistors

In den USA versuchte man seit Beginn des 20. Jahrhunderts, die Leitungsvorgänge in Halbleitern zu verstehen und gezielt zu nutzen. 1947 wurde durch Experimente auf diesem Gebiet ein nächster großer Meilenstein in der Entwicklung der Halbleiterelektronik erreicht: Die drei amerikanischen Wissenschaftler John Bardeen, Walter Houser Brattain und William Shockley erfanden einen Halbleiter aus Germanium, der den Stromfluss aktiv beeinflussen konnte – den Transistor.

Diese Entdeckung war es, die den drei Forschern den Nobelpreis sicherte. Zehn Jahre später gingen in der Elektronikproduktion die ersten Geräte mit eingebauten Transistoren in Serie. Besonders beliebt: das Transistorradio.

Im Gegensatz zur Elektronenröhre war der Transistor kleiner und verbrauchte zudem auch weniger Strom. Der einzige Nachteil: Er ließ sich nicht leistungslos ansteuern. Durch die Entwicklung des Feldeffekt-Transistors war die neue Technologie dann der damals vorherrschenden Röhrenelektronik gleichwertig und zunehmend überlegen.

Parallel dazu fanden weitere Entwicklungen statt: erste Halbleiterbauteile und Leistungshalbleiter wie Dioden und Thyristoren wurden hergestellt. Sie sind – wie viele Produkte der damaligen Zeit – in weiterentwickelter Form auch heute noch im Einsatz.

Zeitgleich wurde auch die Planartechnik zur Herstellung von Transistoren entwickelt. Sie legte wiederum den Grundstein für weitere Neuerungen in der Halbleiterelektronik – wie etwa die Entwicklung der Integrierten Schaltkreise bzw. Chips und schließlich auch der Mikrochips.

Halbleitertechnik der Zukunft: Die ersten Chips

Silizium und die Erfindung der Transistoren brachten neue Möglichkeiten in der Produktion von Elektronikschaltungen mit sich. Unter anderem waren sie grundlegend für eine Erfindung, die unseren Alltag mittlerweile bestimmt: die Integrierte Schaltung (IC = integrated circuit).

1958 konnten erstmals auf einer Siliziumscheibe mehrere Transistoren und ihre Verbindungen untergebracht werden. Im Vergleich mit Schaltungen aus einzelnen Bauelementen verbrauchten die neuen ICs, auch Chips genannt, weniger Material – und auch weniger Energie.

Aufgrund der kostengünstigen Herstellung der ICs in großer Stückzahl konnten weitere Anwendungsgebiete in der Elektronik erschlossen werden. So zeigten das Militär und die Raumfahrt großes Interesse an der neuen Technologie. Der Grund: Die Leistungsfähigkeit der neuen Chips galt schon damals als unübertroffen. Weitere Pluspunkte: die geringe Größe und das geringe Gewicht der Schaltungen.

Aber auch abseits dieser Einsatzgebiete mit sehr spezifischen Anforderungen kam mit der 74er-Serie von TTL-ICs auch eine für den Weltmarkt attraktive Chip-Version in Verwendung. Mittlerweile vielfach weiterentwickelt, ist diese IC-Generation auch heute noch im Einsatz.

Ab den 1960er-Jahren nahm die Entwicklung der Integrierten Schaltungen mehr und mehr Fahrt auf – bis zum heutigen Tag. Ein anschauliches Beispiel dafür ist die Zahl der Bauelemente: Waren es im Jahr 1965 noch 30 Halbleiterbauteile auf einer Platine, so sind es heute über eine Million – Tendenz steigend.

Mikroprozessoren & Mikrocontroller: Grundbausteine unseres technisierten Alltags

Die Miniaturisierung der Elektronik schritt ab dem letzten Drittel des 20. Jahrhunderts unaufhaltsam voran und die ICs wurden immer vielteiliger und komplexer.

Mit den sogenannten Mikroprozessoren wurden schließlich spezielle, programmierbare Chips entwickelt, die Computer, Laptop und Co. zum Laufen bringen. Durch sie wurde auch die Steuerung von diversen Geräten und Maschinen ermöglicht.

Mikroprozessoren

Zwei Firmen lieferten sich in der Entwicklungsgeschichte der Mikroprozessoren einen unerbittlichen Konkurrenzkampf: Sowohl Texas Instruments als auch Intel hatten lange Zeit an diesen innovativen Chips gearbeitet. Mit dem Intel 4004 kam dann schließlich 1971 der erste patentierte Mikroprozessor auf den Markt. Ein Durchbruch – nicht nur, aber vor allem für die damalige Computertechnologie.

Ihre geringe Größe und überzeugende Leistungsfähigkeit machten schon diese ersten Mikroprozessoren attraktiv und nützlich. Im Vergleich zum damals gängigen Röhrenprozessor, der meist einen ganzen Raum mit mehreren Schaltschränken einnahm, hatte der Mikroprozessor auf einer Platine bzw. einem Chip Platz: eine Revolution!

Erst durch die Entdeckungen, die derlei Technologien inspirierten, wurde in der Computerindustrie die Konzeption von Produkten möglich, die wir alle täglich nutzen.

Mikrocontroller

Parallel dazu entwickelten sich die ersten Microcontroller. Wie der Mikroprozessor, so wird auch der Mikrocontroller zur Organisation und zur Optimierung von Computersystemen verwendet.

Allerdings bringt der Mikrocontroller die Zentrale Verarbeitungseinheit (engl. CPU =central processing unit) und alle Peripheriegeräte auf denselben Chip, was bei den Mikroprozessoren nicht der Fall ist. Die Einsatzgebiete der Mikrocontroller sind damit deutlich vielfältiger.

Mikrocontroller eigneten sich besonders für eingebettete Systeme und sind heute vor allem für Ausführungen dedizierter Anwendungen entwickelt. So werden sie beispielsweise in diversen Reglern verbaut, wie in etwa Temperatur- und Füllstandreglern. Aber auch Motorsteuerungen, Alarmanlagen, Schaltuhren und Waschmaschinen funktionieren mithilfe dieser Halbleiter-Technologie.

Aber nicht nur im Bereich der Computertechnik stellt die Erfindung der Mikroprozessoren eine nicht mehr wegzudenkende Entwicklung in der Halbleitertechnik dar. So gut wie alle Bereiche unseres täglichen Lebens sind mittlerweile durch Mikroprozessoren oder andere Elemente der Halbleitertechnik gesteuert: Smartphones, Tablets, Laptops, Computer, diverse Speichermedien bis hin zu komplexen Industrieanlagen.

Ebenfalls nicht zu vergessen: die Automobilbranche. Etwa 75 Prozent der Innovationen in modernen Fahrzeugen wären ohne die Halbleitertechnik nicht möglich gewesen. Aber auch bei technischen Neuheiten wie etwa in der Elektromobilität oder der Photovoltaik erwies sich gerade die Halbleitertechnik bzw. die Mikroelektronik als Gamechanger.

Gerade den hochentwickelten Leistungshalbleitern kommt hier besondere Bedeutung zu. Durch die fortschreitenden Neuerungen in der Mikroelektronik hat sich auch in diesem Bereich einiges getan – vor allem in der MOSFET- und die IGBT- Technologie.

Mittlerweile wurden mit den sogenannten SMARTFETs intelligente MOSFETS entwickelt. Dabei handelt es sich um robuste Leistungsschalter mit niedrigem Einschaltwiderstand und integrierten analogen Schaltungen für Diagnose-, Schutz- und Steuerfunktionen.

Die Zukunft der Halbleitertechnologie

Von der Erfindung des Siliziums bis heute war es ein langer Weg, der auch jetzt noch nicht zu Ende ist. Komplexer, schneller, kleiner – so verhält es sich bei der Entwicklung der Halbleiterelektronik weiterhin. Dichte und Menge der Transistor-Funktionen in den Chips nehmen etwa heute noch kontinuierlich zu. Der Grund: Die Elektroindustrie benötigt immer leistungsfähigere und schnellere Schaltkreise.

Welche Entwicklungen im Bereich der Halbleiterelektronik außerdem zu erwarten sind? Jürgen Lampert, CEO von Bürklin Elektronik, hat einen Blick in die Zukunft gewagt. Hier geht’s zum Interview.

Halbleiter-Produkte bei Bürklin Elektronik lieferbar

Die Nachfrage der Industrie, aber auch Privatkunden nach Halbleiterbauelementen steigt stetig an. Bei Bürklin Elektronik finden Sie ein großes Halbleiter-Sortiment: von Dioden über Leistungshalbleiter bis zu diversen Speicher-ICs,  Logik-ICs und Sensor-ICs und vieles mehr.