Vom Sand zum Chip

So entsteht ein moderner Prozessor

Wissen | Know-how

Winzig klein und gerade deshalb unglaublich schnell: Halbleiterchips operieren an den Grenzen der Physik. Dabei entstehen sie aus dem gleichen Material, mit dem Kinder am Strand spielen: Sand.

Ganz gewöhnlicher Sand bildet den Ausgangspunkt für die vielleicht komplexesten Bauteile, die die Menschheit bisher erfunden hat: Mikrochips. Sie sind das Herzstück jeder elektronischen Schaltung, angefangen bei der simplen Temperatursteuerung am Küchenherd über den Bremscomputer im Auto bis zum Smartphone oder High-End-PC. In ihrem Inneren verarbeiten Milliarden winziger Schalter Informationen in Form von Ladungsträgern. Normalerweise bekommt man von diesem Mikrokosmos wenig mit, doch ein Blick in die Nanowelt der Halbleiter offenbart faszinierende Details. An ein schieres Wunder grenzt die Fertigung aktueller Chips.

Bevor es an die dafür nötigen Abläufe und Tricks geht, gebührt das Augenmerk dem gerade einmal 100 Nanometer großen Hauptdarsteller, dem Transistor. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 700-mal so dick. Ein Transistor besteht wiederum aus diversen geometrischen Strukturen – mit noch kleineren Abmessungen.

Magischer Schalter

Vereinfacht dargestellt entspricht ein Transistor dem Klingelknopf an einer Haustür – zumindest, wenn man diesen drei Milliarden mal pro Sekunde betätigen und mit allen anderen Klingeln auf der Welt verbinden könnte. Seinen schematischen Aufbau zeigt die Detailvergrößerung in der Grafik auf Seite 80.

Wie der Klingelknopf hat auch ein moderner Feldeffekttransistor (FET) einen Eingang für Strom (Source) und einen Ausgang (Drain). Der dritte Anschluss, das Gate, entspricht dem Knopf, auf den man drückt, um den Strom durch den Schalter fließen zu lassen, sprich zu klingeln. Einziger Unterschied: Beim FET löst nicht mechanischer Druck den Stromfluss aus, sondern das elektrische Feld von Ladungsträgern (Elektronen) am Gate.

Aufgrund welcher Halbleitereffekte das genau funktioniert, ist Stoff für einen anderen Artikel. Für das Verständnis der Fertigungsschritte, die Sand in Mikrochips verwandeln, reicht eine grobe Vorstellung des Transistoraufbaus. Er besteht im Wesentlichen aus vier Flächen respektive dreidimensionalen Strukturen: Source, Drain, Gate und dem dazwischenliegenden Channel. Diese müssen unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen, damit die Halbleitermagie den simplen Siliziumkristall in einen Schalter verwandelt. ...

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  • Schichtaufbau eines Prozessors

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