RES22-Halbleiter

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Shownotes

https://de.wikipedia.org/wiki/Halbleiter

Moores Law: Gordon Moore im Jahr 1965

Alle 2 Jahre werde doppelt so viel Elektronik auf einen fingernagelgroßen Chip passen – und das bei sinkenden Preisen, sagte der Intel-Mitbegründer Gordon Moore im Jahr 1965 voraus. Zehn Jahre lang werde das so gehen, nahm Moore an.~ Halbes Jahrhundert galt das Gesetz weiter https://de.wikipedia.org/wiki/Mooresches_Gesetz

Wrights Law

Geschichte

1727 Stephen grey – Unterschied Leiter – Nichtleiter

1821 Georg Simon Ohm – Ohmsche Gesetz (Proportionalität zwischen Strom und Spannung in einem elektrischen Leiter beschrieben wird, konnte auch die Leitfähigkeit eines Gegenstandes bestimmt werden.)

1874 Ferdinand Braun – Gleichrichtereffekt der Halbleiter

1906 Greenleaf Whittier Pickard – erstes Patent für eine auf Silicium basierende Spitzendiode zur Demodulation des Trägersignals in einem Detektorempfänger.

1925 Julius Edgar Lilienfeld – erstes Patent zum Prinzip des Transistors1939 Walter Schottky – theoretischen Grundlagen zur Beschreibung der nach ihm benannten Schottky-Diode.

1947 in den Bell Laboratories John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain – Steckten zwei Metalldrahtspitzen auf ein Germaniumplättchen und konnten somit die p-leitende Zone mit der zweiten Drahtspitze mit einer elektrischen Spannung steuern

https://de.wikipedia.org/wiki/Bipolartransistor#/media/Datei:Nachbau_des_ersten_Transistors.jpg

Spitzentransistor (Bipolartransistor).-> Physik-Nobelpreis von 1956 & Mitbegründung der Mikroelektronik

1954 Eberhard Spenke – Herstellung von hochreinem Silicium -> Zonenschmelzverfahren (heute: Czochralski-Verfahren)

4. Hauptgruppe – 4 valenzelektronen – jeweils 4 doppelbindungen zu Nachbarn – Silizium wird zu nicht-Leiter ( bei kleinen Temperaturen) bei höheren Temperaturen lösen sich Elektronen aus der gitterstrultur und Silizium wird zum Leiter / Halbleiter

Um auch bei niedrigeren Temperaturen Halbleiter zu haben dotieren / verunreinigen des Siliziums mit Fremdatomen z.B. Phosphor / Arsen aus der 5. hauptgruppe mit 5 VE-> n-Halbleiter

Oder Bor aus der 3. Hauptgruppe mit 3 VE -> p-Halbleiter

4 Hände -> Händeschütteln, Bor nur 3 Hände

Transistor

Durch anlegen einer Spannung Strom fließen lassen oder nicht

Rohstoffe

Kupfer

Für Interconnects verwendet aber eher nicht so einfach in der Verwendung.

Hafnium

Transistoren brauchen Material mit hoher Dielektrischer Konstante-> Abstände kleiner -> Konstante größere, damit Strom nicht “durchbricht” (vgl. Keramik bei Hochspannung) -> Hafniumoxid ab 45nm Technologie

Vor 20 Jahren noch nicht wirklich benötigt Immer wieder andere Ressourcen / Rohstoffe um physikalische Probleme zu lösen

Silizium

„Wie Sand am Meer“ -> eher Wüste vgl. Sand Episode

Hersteller

Intel, Qualcomm, AMD und Nvidia – USA eng politisch verbündeten Staaten Südkorea (Samsung), Taiwan (TSMC), den Niederlanden (NXP) und Deutschland (Infineon), China (SMIC)

Lithographie Maschine

Hoch genaue Belichtungsmaschine

Nur ein leading edge Hersteller ASML (Niederlande)

± 250 Mio Euro Kosten

Rohstoffe – Teil 2

Hafnium

Reservenreichweite ~ 44 Jahre 1.400.000 Tonnen weltweit Produktion (2019)

62.000.000 Tonnen weltweite Reserven

Produktion Tausend metrische Tonnen (2019)

US 100
Australien 550
China 80
Kenya 50
Mozambique 50
Senegal 70
Südafrika 370
Other 170
Total 1.400

Kupfer

Reservenreichweite ~43 Jahre

20.000.000 Tonnen weltweite Produktion (2019)

870.000.000 Tonnen weltweite Reserven

Produktion Tausend metrische Tonnen (2019)

US 1.300
Australien 960
Chile 5.600
China 1.600
Congo (Kinshasa) 1.300
Indonesien 340
Kasachstan 700
México 770
Peru 2.400
Russland 750
Zambia 790
Other 3.800
Total 20.000

Galliumarsenid

Lichtaussendende Halbleiter Galliumarsenid, Indiumphosphid oder Galliumnitrid -> Lange Problem mit Silizium zu verbinden

Motorola Labs bei Chicago haben das geschafft indem sie eine Schicht zwischen GaAs und Silizium eingebracht haben die beide verbindet und die elektrischen Eigenschaften mitbringt die benötigt werden.

Markt

Schwankend, Hoher Polysilicium Bedarf durch Solarboom 2008 / 2009 -> starker Preisanstieg

Errichtung neuer Produktionsanlagen

Etablierte Hersteller erweiterten zudem ihre Kapazitäten.

Neue Anbieter – vor allem aus Asien – auf dem Markt.

Der weltweit größte Hersteller von Wafern, auch aus Verbindungshalbleitern, ist das japanische Unternehmen Shin-Etsu Handotai (SEH) mit einem Wafer-Umsatz von 4 Milliarden Dollar im Jahre 2007. Japanische Hersteller Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp. (Sumco) Umsatz von 2,7 Milliarden Dollar (2007)Deutsche Siltronic AG (Wacker) mit 1,8 Milliarden Dollar (2007)Amerikanische Unternehmen MEMC Electronic Materials mit 1,2 Milliarden Dollar. (2007

)Zusammen circa 79 % des gesamten Si-Wafermarktes von 12,5 Milliarden Dollar.

Während der weltweiten Finanzkrise halbierten sich die Umsätze nahezu, 2009 wurde nur noch Silicium für 6,7 Milliarden Dollar umgesetzt. Bereits 2010 hatten sich die Umsätze schon wieder auf 9,7 Milliarden Dollar erholt.

Geopolitik

Spannung zwischen China und den USA

Intel, Qualcomm, AMD und Nvidia – USA eng politisch verbündeten Staaten Südkorea (Samsung), Taiwan (TSMC), den Niederlanden (NXP) und Deutschland (Infineon), China (SMIC)

Qimonda (Speicherchips, 2009 Insolvenz, Ausgründung von Infineon), Globalfoundries und Infineon (Deutschland)

Weitere Quellen:

https://www.heise.de/news/Chinesischer-Chipauftragsfertiger-SMIC-Tumult-in-der-Fuehrung-4994270.html

https://semiwiki.com/semiconductor-services/293475-noose-tightens-on-smic-dead-fab-walking/

https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Produkte/Downloads/DERA_Rohstoffinformationen/rohstoffinformationen-35.html

https://www.bgr.bund.de/SharedDocs/Newsletter/DE/2018/Anrisse/nl04-2018-1_studie_rohstoffrisikobewertung.html

https://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Min_rohstoffe/Downloads/rohstoffsteckbrief_ga.html

https://www.usgs.gov/centers/nmic/mineral-commodity-summaries

https://www.golem.de/news/halbleiterfertigung-wie-intels-einstiger-vorteil-zum-nachteil-wurde-2012-153052.html

Weitere Quellen, die uns im Anschluss zugesendet wurden

https://www.eetimes.eu/eu-signs-e145bn-declaration-to-develop-next-gen-processors-and-2nm-technology/

Documents

https://www.ipcei-me.eu/wp-content/uploads/2020/11/Study-on-the-Electronic-Ecosystem_Decision_Feb2020.pdf

Kapitel

1. Intro (00:00:00)

2. Einführung & Vorstellung Justin Scholz (00:00:19)

3. Moore's Law (00:02:18)

4. Einführung Halbleiter (00:04:05)

5. Wright's Law (00:05:18)

6. Exkurs: Energiespeicherung (00:08:08)

7. Geschichte (00:12:59)

8. Grundlagen der Halbleitertechnik & Silizium (00:23:40)

9. Transistoren (00:32:58)

10. Kristalline, amorphe und organische Halbleiter (00:40:30)

11. Beispiel blaue und gelbe LED (00:45:42)

12. Kombination von Silizium und andere Halbleiter (00:51:45)

13. Kupfer, Gallium-Arsenid und andere Rohstoffe (00:56:41)

14. Anbieter und Hersteller (01:04:04)

15. Lithographie und geographisches Risiko (01:07:17)

16. USA vs China - (01:17:32)

17. Hafnium, Märkte, Zahlen und Reservenreichweiten (01:20:55)

18. Deutsche Halbleitertechnik (01:28:38)

19. Abschluss (01:33:55)

20. Outro (01:35:43)