Wir sprechen derzeit viel über Halbleiter, insbesondere über Materialien, Bauelemente, Investitionen usw. Jedes Thema hat einen anderen Schwerpunkt. Bei den Materialien handelt es sich um Halbleitermaterialien der dritten Generation mit breiter Bandlücke (WBG). Die Bauelemente basieren hauptsächlich auf WBG-Materialien und sind MOS-Transistoren, HEML-Transistoren usw., die wir bereits besprochen haben. Ich werde hier nicht näher auf Investitionen, Branchentrends, Unternehmensinformationen, den Aktienmarkt usw. eingehen. Heute beschäftigen wir uns mit der Geschichte der Halbleiterindustrie und ihren Ursprüngen.    
           

Vakuumtrioden "provozieren Ärger"

Die Vakuumtriode wurde 1906 von Lee DeForest erfunden und ermöglichte Unterhaltungselektronik wie Radios und Fernseher. Sie war auch das Herzstück des ersten elektronischen Computers der Welt. Dieser hatte eine Fläche von fast 140 Quadratmetern und wog 30 Tonnen. Er enthielt fast 19,000 Vakuumröhren sowie Tausende von Widerständen und Kondensatoren. Die Vakuumtriode besteht aus einem Gitter und zwei durch das Gitter getrennten Elektroden in einem glasversiegelten Raum. Das Vakuum im Inneren dieses Raums verhindert das Durchbrennen der Bauteile und ermöglicht die freie Bewegung der Elektronen.  
   
Es besitzt zwei Hauptfunktionen: Schalten und Verstärken. Schalten bedeutet das Ein- und Ausschalten von Strom, Verstärken die Verstärkung von Strom oder kleinen Signalen unter Beibehaltung der ursprünglichen Signalcharakteristika. Allerdings weist es einige Nachteile auf, wie beispielsweise seine Größe, die Anfälligkeit für lockere Verbindungen, die geringe Lebensdauer und die schnelle Alterung.  
Diese Reihe von Mängeln führte unweigerlich zu seiner Weiterentwicklung oder Ablösung. 1949 erfanden John Bardeen, Walter Brattin und William Shockley von den Bell Labs den elektronischen Verstärker aus dem Halbleitermaterial Germanium – den Transistor der ersten Generation (diese drei Wissenschaftler erhielten 1956 den Nobelpreis für Physik). Der Transistor wurde ursprünglich als „Übertragungswiderstand“ bezeichnet und später in Transistor umbenannt.  
   
Diese Art von Transistor vereint die Funktionen einer Vakuumröhre, ist aber ein Halbleiter, benötigt kein Vakuum und zeichnet sich durch geringe Größe, niedriges Gewicht, geringen Stromverbrauch und lange Lebensdauer aus. Seitdem befinden wir uns im „Zeitalter der Halbleiter“, das wir bisher am häufigsten erlebt haben.  
Die Entwicklung vom ersten Transistor bis hin zu vielen unserer heutigen Leistungselektronikbauteile hat zu einer rasanten Weiterentwicklung der Leistungselektronik geführt. Diese Bauelemente werden im Allgemeinen als diskrete Bauelemente bezeichnet, d. h. jeder Chip enthält nur eine Komponente. Ein weiteres Halbleiterbauelement, das wir bisher noch nicht erwähnt haben, sind integrierte Schaltungen.      
       

Integrierte Schaltung

Ein integrierter Schaltkreis (Integrated Circuit) ist ein mikroelektronisches Bauelement, bei dem mithilfe eines bestimmten Verfahrens Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und andere für einen Schaltkreis erforderliche Komponenten und Leitungen auf einem Halbleitersubstrat miteinander verbunden und anschließend in einer Röhrenhülle verkapselt werden, um eine Mikrostruktur mit den erforderlichen Schaltkreisfunktionen zu bilden.  
Der erste integrierte Schaltkreis wurde von Jack Kilby von Texas Instruments erfunden, hatte aber nicht die Form des heutigen integrierten Schaltkreises.  
Die Verbindungen erfolgten zunächst über separate Drähte, doch Jean Horni von Fairchild Camera hatte zuvor ein planares Fertigungsverfahren entwickelt, das elektronische Verbindungen auf der Chipoberfläche erzeugte, um Transistoren herzustellen. Dabei nutzte er die einfache Bildung des Isolators Siliziumdioxid auf Silizium. Robert Noyce wandte diese Technologie anschließend an, um auf der Siliziumoberfläche vorgeformte diskrete Bauelemente zu verbinden und schuf so schließlich das Muster, das in allen integrierten Schaltungen verwendet wird.  
         

Handwerkskunst und Trends

Seit 1947 hat sich die Halbleiterindustrie technologisch stetig verbessert und weiterentwickelt, und diese Entwicklung setzt sich bis heute fort. Prozessverbesserungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Prozess- und Strukturverbesserungen.  
Prozessverbesserung: Herstellung von Bauteilen und Schaltungen in kleineren Abmessungen, wodurch eine höhere Dichte, größere Stückzahlen und eine höhere Zuverlässigkeit ermöglicht werden.  
Strukturelle Verbesserungen: Innovationen bei neuen Gerätekonstruktionen ermöglichen eine bessere Leistung, eine bessere Kontrolle des Energieverbrauchs und eine höhere Zuverlässigkeit.  
Die Auswirkungen dieser beiden Verbesserungen lassen sich gut anhand der Entwicklungsgeschichte mehrerer IGBT-Generationen nachvollziehen. Selbstverständlich sind viele der zuvor genannten Faktoren, wie beispielsweise Mängel im Anlagenprozess, auf Prozessverbesserungen zurückzuführen.  
Die Größe und Anzahl der Bauelemente in integrierten Schaltungen (ICs) sind zwei gängige Indikatoren für die IC-Entwicklung. Die Größe eines Bauelements wird durch die kleinste Strukturgröße im Design, die sogenannte Strukturgröße, ausgedrückt. Die Entwicklung von kleinen integrierten Schaltungen hin zu den heutigen Millionen von Chips profitierte von der Verkleinerung der Strukturgröße einzelner Bauelemente. Dies wiederum wurde durch die deutliche Verbesserung der Fotolithografie und der Mehrlagenverdrahtungstechnologie ermöglicht. Auch heute noch wird viel über Strukturgrößen wie 22-nm-Chips, 10-nm-Chips oder sogar 7-nm-Chips diskutiert. Ein professionellerer Begriff ist die Gatebreite. Damit ist gemeint, dass die Breite eines Teils des Gates kontrolliert wird. Kleinere und schnellere Transistoren sowie Schaltungen mit höherer Dichte profitieren von geringeren Gatebreiten. In diesem Zusammenhang muss ich das „Mooresche Gesetz“ erwähnen, das mir vor einiger Zeit häufiger begegnet ist. Gordon Moore, einer der Gründer von Intel, sagte 1965 voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppeln würde. Nach jahrelanger praktischer Überprüfung hat sich diese Kennzahl als relativ genau erwiesen und dient als Grundlage für die Prognose der zukünftigen Transistordichte auf Chips. Entsprechend der Anzahl der Bauelemente im Schaltkreis, also dem Integrationsgrad, lassen sich verschiedene Stufen unterscheiden: Kleinintegration (SSI): 2–50 Einheiten/Chip; Mittelintegration (MSI): 50–5000 Einheiten/Chip; Großintegration (LSI): 5000–100000 Einheiten/Chip; Sehr hohe Integration (VLSI): 100000–1000000 Einheiten/Chip; Sehr hohe Integration (ULSI): >1000000 Einheiten/Chip.  
Das Mooresche Gesetz ist nicht unbegrenzt anwendbar. Es wird hauptsächlich durch die Grenzen der Halbleitermaterialien und ihrer Herstellungsverfahren eingeschränkt. Daher werden wir immer wieder hören, dass Silizium als Halbleitermaterial an seine Grenzen stößt. Aus diesem Grund ist die Entwicklung neuer Materialien sowie die kontinuierliche Verbesserung von Anlagen und Konstruktionen unerlässlich.  
         

Chip- und Wafergröße

Wir alle wissen, dass Chips auf dünnen Scheiben aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien, sogenannten Wafern, hergestellt werden.  
 
Die Herstellung eines rechteckigen Chips auf einem runden Wafer führt zu ungenutzten Bereichen am Waferrand. Mit zunehmender Chipgröße vergrößern sich auch diese ungenutzten Bereiche. Daher werden zunehmend größere Wafer verwendet, wodurch die Chipgröße scheinbar reduziert und gleichzeitig die Produktionseffizienz und der Ausstoß verbessert werden. Dies ist einer der Gründe, warum sich der Waferdurchmesser von 6 Zoll über 8 Zoll auf mittlerweile 12 Zoll erhöht hat.  
Die Chipgrößen werden immer kleiner, die Kosten immer niedriger und die Leistung immer höher. Dies ist auf die bereits erwähnten Prozessverbesserungen und die Weiterentwicklung der Anlagen zurückzuführen, was auch zu einem zunehmend verschärften Wettbewerb in der Halbleiterindustrie geführt hat.  
Aktuell lassen sich Hersteller grob in drei Typen einteilen: Integrierte Gerätehersteller (IDM), die Design, Fertigung, Verpackung und Vertrieb vereinen; Foundry-Unternehmen, die Chips von anderen Chipherstellern fertigen lassen; und Fabless-Unternehmen, die sich ausschließlich um Chipdesign und Vertrieb kümmern und die meisten anderen Schritte auslagern. Natürlich existieren auch weitere Mischformen. Gleichzeitig hat die Lokalisierung der Halbleiterindustrie zu einer Zunahme inländischer Halbleiterhersteller und Unternehmensmodelle geführt.  
         

am Ende schreiben

Die Lokalisierung der Halbleiterindustrie ist derzeit ein Trend, der nicht nur von der Anzahl inländischer Unternehmen abhängt, sondern auch davon, wie viele Unternehmen in diesem turbulenten Umfeld überleben können. Kurz gesagt: Wer Zeit hat, sich anzupassen, sollte die Segel setzen und international expandieren!