{"id":47410,"date":"2022-08-18T06:09:52","date_gmt":"2022-08-18T06:09:52","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dewetron.com\/news\/wie-halbleiter-die-messtechnik-veraenderten\/"},"modified":"2025-02-03T15:43:46","modified_gmt":"2025-02-03T15:43:46","slug":"wie-halbleiter-die-messtechnik-veraenderten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.dewetron.com\/de\/news\/wie-halbleiter-die-messtechnik-veraenderten\/","title":{"rendered":"Wie Halbleiter die Messtechnik ver\u00e4nderten"},"content":{"rendered":"
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\u201eHalbleiter\u201c \u2013 Ein Begriff, der in den letzten Jahren zunehmend in aller Munde war; und das zurecht. Seit deren Aufkommen in den 1950er-Jahren, haben Halbleiter unsere Welt, allen voran die Messtechnik, grundlegend ver\u00e4ndert. In diesem Blogpost wollen wir Ihnen erkl\u00e4ren, was Halbleiter eigentlich so besonders macht und warum Sie so vielseitig einsetzbar sind.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Was sind Halbleiter?<\/h2>\n
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Es gibt Metalle, welche Strom problemlos leiten, und es gibt Isolatoren, welche Strom nicht leiten. Doch wie kann man den Unterschied zwischen Leitern und Nichtleitern physikalisch erkl\u00e4ren? Um dies zu tun, muss man den Begriff der Leitungs- und Valenzelektronen einf\u00fchren. Leitungselektronen sind Elektronen, die nicht an ein Atom gebunden sind und sich frei im Material bewegen k\u00f6nnen. Genau diese Leitungselektronen sind f\u00fcr die elektrische Leitf\u00e4higkeit von Metallen verantwortlich. Metalle besitzen n\u00e4mlich sehr viele Leitungselektronen und sind daher gute Leiter. Isolatoren besitzen im Gegensatz dazu keine Leitungselektronen und k\u00f6nnen deshalb Strom nicht leiten.<\/p>\n

Die Zahl der Leitungselektronen in einem Material ist aber nicht festgesetzt. Man kann \u201enormale\u201c Elektronen (Valenzelektronen genannt) in Leitungselektronen umwandeln, indem man genug Energie bereitstellt. Mit dieser Energie k\u00f6nnen sich die Valenzelektronen vom Atomkern l\u00f6sen und sich dann frei im Material bewegen \u2013 sie werden zu Leitungselektronen. So erkl\u00e4rt sich auch, dass bei sehr hohen Spannungen sogar Isolatoren Strom leiten k\u00f6nnen. In diesem Fall wird den Valenzelektronen so viel Energie zugef\u00fchrt, dass sie zu Leitungselektronen werden.<\/p>\n

Halbleiter sind nun Materialien, die einen Mittelweg zwischen Metallen und Isolatoren darstellen. Halbleiter haben eine geringe Menge an Leitungselektronen (sie sind daher schlechte Leiter). Im Gegensatz zu Isolatoren, ben\u00f6tigt es aber sehr wenig Energie, um weitere Leitungselektronen zu erzeugen. Schon die thermische Energie bei Raumtemperatur reicht aus, um eine betr\u00e4chtliche Menge an Elektronen vom Valenzband (wo Valenzelektronen leben) in das Leitungsband (wo Leitungselektronen leben) zu bef\u00f6rdern. Auch sichtbares Licht, wie Sonnenlicht, stellt genug Energie bereit, um Leitungselektronen zu erzeugen. Der Unterschied zwischen Leitern, Nichtleitern und Halbleitern ist in der n\u00e4chsten Grafik gezeigt.
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\"Halbleiter\"<\/p>\n

Leiter (links), Nichtleiter (Mitte), Halbleiter (rechts)<\/em><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Halbleiter in der Leistungselektronik<\/h2>\n
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Wie erw\u00e4hnt, ben\u00f6tigt es sehr geringe Mengen an Energie, um weitere Leitungselektronen in Halbleitern zu erzeugen. In der Praxis f\u00fchrt dies zu unerw\u00fcnschten Problemen. So k\u00f6nnen schon kleine Temperatur\u00e4nderungen die Anzahl der Leitungselektronen und damit die Leitf\u00e4higkeit stark ver\u00e4ndern.<\/p>\n

N\u00fctzlich werden Halbleiter erst, wenn man den reinen Halbleiter mit Fremdatomen verunreinigt. <\/em>Diesen Vorgang nennt man Dotierung. <\/em>Dotiert man einen Halbleiter auf die richtige Art und Weise, und f\u00fcgt verschieden dotierte Halbleiter zusammen, so kann man die Leitf\u00e4higkeit gezielt steuern.<\/p>\n

Diese gezielte Steuerung der Leitf\u00e4higkeit erm\u00f6glicht die Verwendung eines Halbleiters als elektrischen Schalter. Viele elektrische Bauteile wie (Leucht-)Dioden, Thyristoren, Differenzverst\u00e4rker oder auch Transistoren basieren auf diesem Prinzip. Kaum ein elektrisches Bauteil kommt heute noch ohne Halbleiter aus. Dies liegt vor allem daran, dass elektrische Schaltungen, welche in Zeiten vor 1950 einen Raum f\u00fcllen konnten, heutzutage mit Halbleitern auf atomaren Skalen realisiert werden.<\/p>\n

Gerade die Einf\u00fchrung des Halbleitertransistors (welcher die Vakuumr\u00f6hre ersetzte) erm\u00f6glichte die Entwicklung moderner Computer. Durch die Verschaltung mehrerer Transistoren k\u00f6nnen n\u00e4mlich mathematische Operationen ausgef\u00fchrt werden. Dabei nutzt man eine clevere Kombination von Reihen- und Parallelschaltungen der Transistoren. Dies wird Schalterlogik genannte und bildet die Grundlage jedes Computerchips. Auch SSD-Speicherchips, wie sie in USB-Sticks, Handys oder PCs verbaut sind, funktionieren nur dank moderner Halbleitertechnologie.
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\"Vakuumr\u00f6hre<\/p>\n

Eine Vakuumr\u00f6hre im Vergleich zu einem modernen Prozessor mit Milliarden Transistoren<\/em><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Sensorik und Energieerzeugung<\/h2>\n
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Nicht nur in der Digital- und Leistungselektronik spielen Halbleiter eine wichtige Rolle. Auch ein gro\u00dfer Teil moderner Sensoren baut auf Halbleitern auf. Ein paar Beispiele:<\/p>\n