Leistungshalbleiter

Strom muss in vielen Geräten angepasst werden, bevor er nutzbar ist. Aus der Steckdose kommt Wechselstrom, ein Handyakku braucht Gleichstrom mit niedriger Spannung. Genau diese Umwandlung übernehmen Leistungshalbleiter. Es sind kleine Bauteile aus einem besonderen Material, das Strom je nach Steuersignal durchlässt oder blockiert. Sie arbeiten dabei wie ein extrem schneller Schalter, der tausende Male pro Sekunde ein- und ausschaltet. Anders als die winzigen Bauteile in einem Computerchip müssen sie sehr hohe Ströme und Spannungen aushalten, ohne durchzubrennen.

Warum jedes Prozent Wirkungsgrad zählt

Kein Schalter ist perfekt. Bei jedem Umschalten und bei jedem Stromfluss geht ein Teil der Energie als Wärme verloren. Bei einem Handyladegerät sind das ein paar Watt. Bei einem Elektroauto oder einer Windkraftanlage geht es um Kilowatt, die man sonst nutzen könnte.

Ein Rechenbeispiel macht das greifbar. Verliert die Elektronik eines E-Autos zwei statt fünf Prozent der Energie, wächst die Reichweite spürbar, ohne dass die Batterie größer wird. Batterien sind teuer und schwer, bessere Halbleiter dagegen sind vergleichsweise günstig. Deshalb investieren Autohersteller viel Geld in diese Bauteile.

Auch Rechenzentren für künstliche Intelligenz hängen davon ab. Dort fließt Strom vom Netzanschluss über mehrere Umwandlungsstufen bis zum einzelnen Chip. Jede Stufe verliert etwas. Weil solche Anlagen inzwischen so viel Strom ziehen wie eine Kleinstadt, sind Leistungshalbleiter zu einem Thema für Investoren geworden.

Silizium, Siliziumkarbid und Galliumnitrid

Das klassische Material ist Silizium, ein Stoff aus Sand. Es ist billig und gut beherrscht, hat aber Grenzen. Bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen wird es ineffizient. Seit einigen Jahren nutzt man deshalb zwei Alternativen.

Siliziumkarbid, abgekürzt SiC, verträgt höhere Spannungen und mehr Hitze. Es steckt vor allem in Elektroautos und in der Ladeinfrastruktur. Galliumnitrid, kurz GaN, kann besonders schnell schalten und wird bei kleineren Leistungen eingesetzt. Die auffällig kompakten Handyladegeräte der letzten Jahre sind ein direktes Ergebnis dieser Technik.

Der Nachteil dieser Materialien ist der Preis. Ein Siliziumkarbid-Kristall wächst langsamer und ist schwerer zu bearbeiten als Silizium. Das macht die fertigen Bauteile deutlich teurer. Hersteller rechnen deshalb genau nach, ob sich die eingesparte Energie über die Lebensdauer lohnt.

Vom Ladegerät bis zur Börsenmeldung

Im Alltag begegnen dir Leistungshalbleiter meist unsichtbar. Sie sitzen im Netzteil deines Laptops, in der Steuerung einer Waschmaschine, im Umrichter einer Solaranlage und im Antrieb jedes Elektroautos. Auch eine Schnellladesäule ist im Kern ein großer Kasten voller solcher Bauteile.

In Wirtschaftsnachrichten tauchen sie unter Firmennamen wie Infineon, STMicroelectronics, onsemi oder Wolfspeed auf. Diese Unternehmen bauen keine Prozessoren für Computer, sondern genau diese Strom-Bauteile. Ihre Aktienkurse reagieren stark auf Nachrichten aus der Autobranche, weil dort der größte Absatzmarkt liegt.

Ein häufiger Irrtum ist, Leistungshalbleiter mit den Chips aus dem Chipmangel gleichzusetzen. Beides sind Halbleiter, doch die Anforderungen unterscheiden sich stark. Bei Prozessoren zählt, wie viele Rechenschritte auf kleinstem Raum passen. Bei Leistungshalbleitern zählt, wie viel Strom das Bauteil verlustarm und dauerhaft verkraftet. Deshalb werden sie oft in älteren, gröberen Fabriken hergestellt, nicht in den modernsten Werken der Welt.