Halbleiter

Den Begriff Halbleiter haben viele schon gehört. Sie befinden sich durch Computer und Co. unauffällig überall in unserem Umfeld. Doch erst durch den aktuellen Engpass wird die Wichtigkeit für die heutige Welt offensichtlich. Smartphones, Computer, Autos, Spielkonsolen und Weiteres sind derzeit Mangelware. Grund genug, einen Blick auf das Thema zu werfen und wichtige Fragen zum Halbleiter Engpass und zu Halbleiter Beispielen zu klären. Außerdem klären wir, wer die größten Halbleiter Hersteller sind.

Was sind Halbleiter leicht erklärt?

Wie der Name bereits sagt, befinden sich Halbleiter in Sachen elektrische Leitfähigkeit zwischen Leitern (wie Eisen und Kupfer) und sogenannten Isolatoren (ein Beispiel ist Glas). Im Gegensatz zu leitenden Materialien steigt die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur an das bedeutet, dass der Widerstand mit dem Ansteigen der Temperatur abnimmt. Um die Eigenschaften von Halbleitern für unterschiedliche Einsatzzwecke beeinflussen zu können, kommt ein Verfahren zum Einsatz, welches sich Dotierung nennt. Eingebrachte Fremdatome in einem Halbleiterkristall modulieren dessen Eigenschaften. P- und N-Dotierung sind möglich, was jedoch von der Zahl der Außenelektronen abhängig ist. Dies herauszufinden, geht auf die lange Entwicklungsgeschichte und verschiedene Entdeckungen zurück.

Die Geschichte der Halbleiter

Zwei wesentliche Ereignisse in der Frühgeschichte dieser Entwicklung legen die Grundlage für die Bestimmung der Leitfähigkeit. Zum einen die Entdeckung einer Unterscheidung zwischen Leiter und Nichtleiter im Jahr 1727 durch Stephen Gray und die Aufstellung des Ohmschen Gesetzes durch Georg Simon Ohm im Jahr 1821. Letzteres ermöglicht die Bestimmung der Leitfähigkeit. Die Veränderlichkeit des Widerstandes hingegen wird von Ferdinand Braun entdeckt. Es handelt sich um den sogenannten Gleichrichtereffekt. Erst in den 1940er-Jahren macht die Technik jedoch den entscheidenden Schritt zum Masseneinsatz. In der Elektronik kommen zu dieser Zeit Röhren zum Einsatz.

Konkurrenz für Röhren

John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain schaffen (ohne die Tragweite zu kennen) den Durchbruch bei Bell Laboratories, wo sie einen Halbleiter aus Germanium herstellen, indem sie Metalldrahtspitzen aufstecken, womit sie die Leitfähigkeit steuern können. Mit diesem Spitzentransistor schaffen sie den zukünftigen Nachfolger der Röhre. Rund zehn Jahre später gelingt die Herstellung von hochreinem Silicium, welches sich weitaus besser für massenhafte und günstige Herstellung von Transistoren eignet. Dazu trägt der Einsatz des sogenannten Czochralski-Verfahrens bei, welches die Herstellung des Siliciums kostengünstig und schnell ermöglicht. Die Herstellung von Transistoren war jedoch nur der Anfang der Halbleiterproduktion. So kommt der Feldeffekt Transistor hinzu, der sich ähnlich wie eine Röhre leistungslos ansteuern lässt. Hinzu kommen weitere Produkte, die heute nicht mehr wegzudenken sind wie Dioden, die sich heute in vielen Geräten wiederfinden. Doch was sind mögliche Halbleiter? Wir blicken auf einige Beispiele.

Was sind Beispiele für Halbleiter?

Halbleiter Beispiele gibt es einige, die sich folgendermaßen einteilen lassen. Grob gibt es drei unterschiedliche Klassen. Die Elementhalbleiter, Verbindungshalbleiter und zu Guter Letzt die Organischen Halbleiter. Zur ersten Gruppe zählen die bereits erwähnten Elemente Silicium und Germanium. Zur zweiten Gruppe gehört beispielsweise Zinkselenid. Eine besondere Gruppe stellen die organischen Halbleiter dar, die aus Kohlenstoffatomen zusammengesetzt sind. Klassische Halbleiter Beispiele aus dieser Kategorie sind P3HT und Pentacen. Es handelt sich hierbei nur um eine kleine Auswahl entsprechender Halbleiter Beispiele, da diese sehr vielfältig sind. Das zeigt sich am besten an der Beantwortung der Frage, ob Metalle Halbleiter sein können.

Welche Metalle sind Halbleiter?

Metalle zählen zur Kategorie der Leiter, weswegen an dieser Stelle nur sogenannte Halbmetalle infrage kommen. Diese sind zwar nicht synonym zu Halbleitern zu nennen, besitzen jedoch viele derer Eigenschaften wie eine temperaturabhängige Veränderung der Leitfähigkeit. Beispiele für Halbmetalle sind graues Zinn und Graphit. Aufgrund der feinen Abstufung der physikalischen Eigenschaften erweist sich eine Klassifizierung jedoch als kompliziert. So schwierig, wie sich die Klassifizierung in diesem Bereich erweist, so vielfältig sind die Einsatzgebiete, die nachfolgend näher beleuchtet werden.

Wofür braucht man Halbleiter?

Der Computer, auf dem dieser Text entsteht, wäre ohne Halbleiter nicht möglich (das gilt auch für eine vergleichbare elektrische Schreibmaschine) sowie die Zimmerbeleuchtung. Energiesparlampen, LED-Technik – alle Elektronik im alltäglichen Leben wäre ohne Halbleiter nicht vorstellbar. Deswegen haben diese Stoffe eine große Bedeutung für Wirtschaft und Industrie. Das zeigt sich in den aktuellen Zahlen der World Semiconductor Trade Statistics (WSTS). Der weltweite Halbleitermarkt soll demnach von 6,8 Prozent im Jahr 2020 auf 19,7 Prozent und ein Marktvolumen von 527 Milliarden US-Dollar anwachsen. Größter Antrieb dieses Wachstums sei Speicher mit einem Anteil von 31, 7 Prozent. Mit der Umstellung von mechanischen Festplatten auf SSDs, die inzwischen auch in Spielkonsolen angekommen sind, kann sich dieses Segment in Führung begeben. Einen Anteil an der hohen Nachfrage (und einem Preisanstieg) in diesem Bereich hat ohne Zweifel auch Chia Coin.

Der Halbleiter Engpass erklärt

Der aktuelle Halbleiter Engpass zeigt die Auswirkung der großen Nachfrage in besonderem Maß und bringt unterschiedliche Faktoren zusammen. Zum einen ein bereits seit längerer Zeit gestiegener Bedarf nach neuen Chips aus unterschiedlichen Bereichen der Industrie und zum anderen die Konzentration der Produktion auf eine vergleichsweise kleine Gruppe von Unternehmen. Hier ist vor allem TSMC aus Taiwan zu erwähnen. Der Auftragsfertiger ist für mehr als 70 Prozent der Chips verantwortlich, die in der Autoindustrie zum Einsatz kommen. In Kombination mit der globalen Pandemie und schnellen Veränderungen bei der Nachfrage kommt es schließlich zum derzeit bestehenden Halbleiter Engpass. Dies begünstigt nicht nur TSMC. Nachfolgend blicken wir auf weitere Halbleiter Hersteller.

Halbleiter Hersteller im Überblick

Bei den Halbleiter Herstellern ist zu beachten, dass in letzter Zeit zunehmend spezialisiert gearbeitet wird, um die Kosten für Forschung, Entwicklung und Herstellung besser zu verteilen. Unter den Halbleiter Herstellern gibt es deswegen eine Unterteilung in drei Arten:

1. Integrated Device Manufacturer (IDM)
Hierbei handelt es sich um einen schrumpfenden Teil der Hersteller, die den gesamten Prozess in einem Unternehmen bündeln. Bei Intel, Samsung, Texas Instruments und weiteren finden sowohl Neuentwicklung als auch Herstellung entsprechender Hardware statt. Immer mehr findet sich jedoch eine Aufteilung in die folgenden zwei Gruppen.

2. Pure-Play Foundries – die Auftragsfertiger
Die Bedeutung der Auftragsfertiger wird immer wichtiger. Halbleiter Hersteller aus der ersten Gruppe lagern zunehmend Teile ihrer Produktion in entsprechende Foundries aus, um die eigenen Kapazitäten zu erhöhen. Außerdem sind Auftragsfertiger wie das bereits erwähnte TSMC wichtig für die sogenannten Fabless.

3. Fabless – Chip-Entwicklung
Wie der Name bereits sagt (Fabless = Fabriklos) haben diese Unternehmen keine eigenen Werke zur Herstellung und sind auf die Zusammenarbeit mit den Pure-Play Foundries angewiesen. Hier ist der Grafikchip-Entwickler Nvidia ein Beispiel. Das Unternehmen entwickelt intern, ist bei der Umsetzung allerdings auf andere Hersteller angewiesen.
Die größten Halbleiter Hersteller sind im Übrigen Samsung, TSMC und Intel. Diese haben im Rahmen der Knappheit noch einmal deutlich hinzugewinnen können. TSMC kann beispielsweise ein Plus von rund 40 Prozent aufweisen.