Mikroelektronik

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Die Mikroelektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik. Elektronische Schaltkreise, meist ca. Widerstände, Kondensatoren und Transistoren, werden auf einem gemeinsamen Substrat untergebracht und in einem einheitlichen Herstellungsprozess erzeugt (integrierte Schaltung - Integrated Circuit IC). Die Bauteile werden dabei miniaturisiert. Bauelemente der Mikroelektronik wurden ursprünglich für die Anforderungen der Raumfahrt nach kleinen und leichten Bauteilen entwickelt. Sie sind heute überall zu finden.

Neben der Miniaturisierung und dem gemeinsamen Herstellungsprozess, die auch eine wesentlich kostengünstigere Produktion ermöglichen, erreicht man eine erhöhte Zuverlässigkeit durch weniger Lötstellen und eine exakt beherrschbare Fertigung. Durch die Verkleinerung wird auch eine wesentlich verringerte Verlustleistung und eine verbesserte Schaltzeit erreicht. Früher durch einfache analoge Schaltungen und Relaissteuerung realisierte Aufgaben werden durch integrierte digitale Versionen (Signalprozessoren und Mikroprozessoren) ersetzt. Obwohl mehrere 100 Tausend Transistoren erforderlich sind, ist eine preiswerte Realisierung möglich.

Man unterscheidet die Festkörpertechnik (auch: monolitische Fertigung) von den Filmtechniken. Bei der Festkörpertechnik werden die Bauelemente auf ein Halbleitersubstrat, meist einkristallines Silizium, mit Belichtungsmasken und Ätzverfahren aufgebracht (Photolitographie). Auf einem Substrat, dem Wafer, werden mehrere Schaltungen gleichzeitig hergestellt. Die Schaltungen werden getrennt, die einzelne Schaltung wird als Chip genannt. Diese Chips werden in der Regel in ein Gehäuse eingebaut, dessen Anschlüsse über dünne Golddrähte mit der integrierten Schaltung verbunden werden. Das Gehäuse schützt die Chips, führt die Wärme ab und kann auf einer normalen gedruckten Schaltung zusammen mit anderen Bauteilen, auch weiteren ICs, eingesetzt werden.

Die Dünnfilmtechnik und Dickfilmtechnik, bei denen Bauteile auf einen Film aufgebracht oder eingebettet und verbunden werden, haben ca. noch für Spezialanwendungen (Hochfrequenztechnik) Bedeutung. Als Hybridtechnik bezeichnet man die Kombination der Filmtechnik und Festkörpertechnik, bei der Halbleiterchips einen Teil der Bauelemente der Filmtechnik bilden.

Ab 1961 wurden erste Schaltkreise mit wenigen bipolaren Transistoren und Widerständen realisiert. In den 1970er Jahren wurden höhere Packungsdichten mit einigen tausend Bauelementen realisiert. Dies wird als Großintegration (LSI Large Scale Integration) genannt. Die bipolaren Transistoren wurden durch Feldeffekttransistoren FETs, meist in der Form von leicht herstellbaren MOSFETS (Metal Oxide Semiconductor FET) ersetzt. 1979 begann die Größtintegration (VLSI Very Large Scale Integration) mit heute mehreren Millionen Transistorfunktionen und früher unerreichbaren Taktfrequenzen von mehreren Gigahertz. Die Größe des Einzelbauteils ist dabei unter einem Mikrometer. Zunehmend werden auch ganze Geräte und Systeme auf einem einzelnen Chip realisiert (SoC System on Chip).

Gegenwärtig wird die Nanoelektronik vorangetrieben, die eine noch wesentlich höhere Bauelementedichte ermöglichen soll. Hier sind die einzelnen Bauelemente durch wenige Moleküle oder Atome realisiert, die Bauteilgrößen liegen dann in dem Bereich von Nanometern (im Gegensatz zu Mikrometern bei der Mikroelektronik). Die Nanotechnik lässt sich aber nicht durch einfache Verkleinerung erreichen. Die kleinsten Bauteile in der Mikroelektronik bestehen aus mehreren 100 Tausend Atomen und beruhen auf den Grundlagen der Festkörperphysik. Für die Nanoelektronik ist aber die Physik einzelner Atome heranzuziehen. Die Genauigkeit der Photolitographieverfahren ist durch die benutzten Lichtwellenlänge beschränkt und befindet sich bereits bei 0.1-0.5 µm an ihrer physikalischen Grenze.