Германий — редкий полуметаллический элемент (металлоид) серо-белого цвета, нашедший наибольшее применение в полупроводниковой промышленности.
Он был открыт в 1886 году немецким химиком Клеменсом А. Винклером и назван в честь его родины.
Интересно, что его существование предсказал создатель периодической таблицы элементов, русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, назвавший его "экасилицием" и относительно точно определивший основные физико-химические свойства этого тогда еще неизвестного элемента.
Германий
Как происходит передача электроэнергии на расстояние? Что такое электрический ток? На эти, ставшие теперь обычными вопросы, ответ готов у каждого.
Да, конечно, во всем «виноват» поток мельчайших отрицательно заряженных частиц, электронов, носителей самой маленькой порции электрического заряда. Это они, вращаясь с бешеной скоростью вокруг положительного ядра атома, делают его электронейтральным.
У некоторых металлов внешние электроны слабо связаны с ядром, и достаточно небольшого электрического напряжения, чтобы эти электроны сорвались с места и начали перемещаться, создавая электрический ток. Такие металлы — проводники.
Другие вещества, наоборот, обладают очень прочной связью электронов с ядрами и плохо проводят электрический ток. Это — изоляторы.
Но есть еще и такие металлы, которые меняют свою электропроводность в зависимости от воздействия тепловых лучей, света, рентгеновского и радиоактивного излучения. При одних условиях они ведут себя, как изоляторы, при других — как проводники.
Такие удивительные свойства, свойства полупроводников, ученые открыли и у германия. Вот когда пришла всемирная слава к новому элементу. Перед ним открылись совершенно необычные перспективы. Он стал некоронованным королем радиотехники и электроники.
Возможности массового использования германия открылись лишь после того, как ученые научились получать сверхчистый металл. Ведь германий обладает полупроводниковыми свойствами только тогда, когда в нем примесей других элементов не более одной стомиллионной доли процента!
А эта величина настолько ничтожна, что ее просто трудно представить. В веществе такой чистоты один атом примесей приходится на десять миллиардов атомов основного вещества.
В твердом состоянии германий ведет себя как полупроводник как в кристаллической, так и в аморфной фазах. С другой стороны, в жидком состоянии германий представляет собой металл, подобный, например, ртути.
Германий не встречается в коммерческих количествах в виде самородной руды, а производится в основном как побочный продукт переработки цинка с меньшим количеством переработки меди.
Интерес к германию возник в 1950-х годах, когда были изготовлены первые транзисторы и другие электронные компоненты на основе высокочистого германия.
В последующие десятилетия германий был вытеснен кремнием, который встречается в природе в значительно больших количествах, но необходимо было разработать способы его промышленного производства с чистотой не менее 99,9999 %. Однако германий по-прежнему используется для производства некоторых видов полупроводниковых диодов.
Диод из германия
В наше время германий используется в промышленном производстве полупроводников в виде германида кремния (SiGe) для производства интегральных схем с высокой скоростью передачи сигнала.
Германий также является частью цепей, реагирующих на электромагнитные волны в инфракрасной области спектра. Поэтому он используется в радиолокационной технике. Сейчас это использование несколько сокращается в пользу приложений в оптике.
Германий имеет важное применение в производстве световодной оптики, так как его присутствие в материале оптических волокон значительно увеличивает показатель преломления материала.
Это свойство также используется при производстве специальных оптических компонентов, таких как объективы для камер с широким углом обзора или оптика для обработки сигналов в инфракрасной области спектра (например, в приборах ночного видения).
Диоксид германия GeO2 также позволяет создавать оптическое стекло с высоким светопреломлением. Он имеет большое значение как катализатор в производстве полимеров (пластиков), но его также можно заменить титаном.
Германиевые термогенераторы (из кремний-германиевого сплава) преобразуют тепло в электричество.
Интересными свойствами обладают германиевые сплавы – сплав с золотом (т.н. ювелирный припой) расширяется при охлаждении, сплав с медью и золотом пригоден в стоматологии. Гранатоиды гадолиния-германия (ГГГ) используются в лазерной технике.
Первый полупроводниковый транзистор в лаборатории (изобретение транзистора названо самым значимым изобретением XX века)
Первый работающий полупроводниковый транзистор с точечным контактом был изобретен в 1947 году американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном во время работы под руководством Уильяма Шокли в компании Bell Labs. За изобретение транзистора все они получили Нобелевскую премию по физике 1956 года. Термин "транзистор" был придуман инженером и писателем Джоном Робинсоном Пирсом.
Германиевый транзистор 2N458A
Исторические и современные устройства из германия:
- Первые монокристаллические полупроводниковые устройства, которые стали коммерчески доступными, в частности оригинальные транзисторы, были сделаны из германия. В настоящее время за исключением нескольких устройств, используемых для специальных целей, таких как туннельные диоды, все германиевые устройства в основном представляют только исторический интерес.
- Ранние диоды, выпрямители, силовые диоды и высокочастотные детекторы были основаны на работе электронно-дырочного p – n перехода. Одним из устройств, в котором до сих пор используется германий, является туннельный диод, имеющий отрицательное сопротивление на своей прямой характеристике, прежде чем он принимает нормальную проводимость. В этом случае как n, так и p - материалы настолько сильно легированы, что валентная зона и зона проводимости перекрываются по энергии, и происходит прямое межзонное туннелирование.
- Транзистор оригинального изобретения был сформирован путем прижатия двух тонких остроконечных легированных проводов к блоку поликристаллического германия n - типа на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга и соединения проводов с германием. Это устройство продемонстрировало коэффициент усиления по току больше единицы, но, как правило, не подходило для массового производства.
- Следующий тип транзистора был основан на всеобъемлющей теории переходных транзисторов Шокли и был известен как транзистор с выращенным переходом. В этом методе примеси p, а затем n - типа (или n и p) последовательно вводят в соответствующим образом легированный расплав германия по мере вытягивания из него кристалла таким образом, чтобы получить три узко разделенных n-p-n (или p–n–p) слоев, из которых изготовлен транзистор. Они работали хорошо, но подходили только для использования на низких частотах ниже мегагерцового диапазона.
- Легированное соединение. В этой форме транзистора две кнопки из индия для p-n-p сплавлены на противоположных сторонах тонкого слоя германия n - типа, чтобы сформировать транзистор. Правильный выбор ориентации кристаллов обеспечивает параллельность передних поверхностей кнопок из сплава. Это был первый недорогой коммерчески успешный транзистор. Его можно было использовать как для коммутации, так и для усиления, хотя частотная характеристика оставалась низкой. Эти устройства все еще производятся, но в небольшом количестве.
- Диффузная основа. С появлением диффузионных технологий стали доступны надежные высокочастотные транзисторы. Мышьяк был диффундирован в германий (с очень жесткими допусками), чтобы сформировать основу или центральный слой транзистора. В верхнюю часть был вплавлен алюминий, чтобы сформировать излучатель или область ввода. Нижний коллекторный слой или выход был исходным материалом. Стала доступной гигагерцовая производительность, а надежность достигла такого уровня, что эти устройства использовались в подводных кабелях и в первых американских спутниках Vanguard и Telstar.
- Германий в качестве германата висмута использовался в 1980-х годах в гамма-камерах в ядерной медицине.
- Детекторы излучения (литиевые дрейфовые). Некоторые из наиболее интересных применений германия сегодня лежат в области детекторов и датчиков. Особенно успешным устройством оказался литиевый дрейфовый детектор. Это p-i-n-структура, в которой широкая i-я, или собственная, область скомпенсирована. Литий осаждается на сверхчистый германий р-типа и немного диффундирует в него. Тогда при температуре ниже 60 °C литий будет дрейфовать под действием приложенного поля и будет стремиться точно компенсировать любые присутствующие акцепторные примеси. Таким образом, может быть сформирована очень большая внутренняя область. Ширина может быть несколько сантиметров. Для сохранения характеристик хранение должно осуществляться при температуре жидкого азота. При работе пара дырка-электрон создается в области i при затрате энергии около 3 эВ (4,8 х 10-19 Дж). Детектор имеет полезный диапазон от 10 кэВ (1,6 х 10-15 Дж) до нескольких мегаэлектронвольт.
- Датчики температуры. Поскольку коэффициент Зеебека для германия очень высок (около 400 мкВК-1), он должен стать очень хорошим тепловым детектором. Его чувствительность как минимум в пять раз выше, чем у обычно используемых материалов. Тонкие пленки германия образуют один элемент термопары в сверхчувствительных датчиках температуры.
- Тензометрические датчики. Германий проявляет очень значительный пьезоэлектрический эффект и, следовательно, является очень чувствительным тензодатчиком. Кристаллы с тонкими нитями показывают чувствительность как минимум на два порядка выше, чем обычные металлические датчики.
- Солнечные батареи. Поскольку ширина полосы между валентной зоной и зоной проводимости германия составляет всего 0,67 эВ (1,072 х 10-19 Дж) по сравнению с 1,2 эВ (1,92 х 10-19 Дж) кремния, германий используется в качестве сопутствующего солнечного элемента для использоваться с кремнием для сбора длинноволнового солнечного излучения и преобразования его в полезную электрическую энергию.