НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. Алексеева
Кафедра «Промышленная электроника»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
«Исследование свойств и характеристик полупроводниковых структур»
Работу выполнили: подгруппа 2
группа 19-э-5
Работу принял: Охулков С. Н.
Нижний Новгород 2020
Германий
Германий – типичный полуметалл серо-белого цвета с металлическим блеском. Подобно кремнию, является полупроводником.
Нахождение в природе. Общее содержания германия в земной коре больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Германий вследствие незначительного содержания в земной коре и геохимического сродства с некоторыми широко распространёнными элементами обнаруживает ограниченную способность к образованию собственных минералов, внедряясь в кристаллические решётки других минералов. Поэтому собственные минералы германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли. Германий концентрируется в месторождениях многих металлов - в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых окисных минералах (хромите, магнетите, рутиле и др.), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.
Получение германия. Германий встречается в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам, а также в силикатах. В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO2, который восстанавливают водородом при 600 °C до простого вещества:
GeO2 + 2H2 → Ge + 2H2O
Получение чистого германия происходит методом зонной плавки, что делает его одним из самых химически чистых материалов.
Физические свойства. Германий — хрупкий, серебристо-белый полуметалл. Кристаллическая решётка устойчивой при нормальных условиях аллотропной модификации — кубическая типа алмаза.
Температура плавления 938,25 °C, температура кипения 2850 °C, плотность германия 5,33 г/см3.
Теплоёмкость германия имеет аномальный вид, а именно, содержит пик над уровнем нормальной (колебательной) составляющей.
Германий является одним из немногих аномальных веществ, которые увеличивают плотность при плавлении.
Плотность твёрдого германия 5,327 г/см3 (25 °С), жидкого — 5,557 г/см3 (1000 °С). Другие вещества, обладающие этим свойством — вода, кремний, галлий, сурьма, висмут, церий, плутоний.
Германий по электрофизическим свойствам является непрямозонным полупроводником.
Основные полупроводниковые свойства нелегированного монокристаллического германия
Статическая диэлектрическая проницаемость ε = 16,0
Ширина запрещённой зоны (при 300 К) Eg = 0,67 эВ
Собственная концентрация ni=2,33⋅1013 см−3
Энергия сродства к электрону: χ = 4,0 эВ.
Легированный галлием германий в виде тонкой плёнки переходит при низких температурах в сверхпроводящее состояние.
Химические свойства. При нормальных условиях устойчив к действию воздуха и воды, щелочей и кислот, растворим в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода.
Применение. В 2007 году основными потребителями германия были: 35 % волоконная оптика; 30 % тепловизорная оптика; 15 % химические катализаторы; 15 % электроника; небольшие количества германия потребляет металлургия.
Оптика:
Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики: линз, призм, оптических окон датчиков. Наиболее важная область применения — оптика тепловизионных камер, работающих в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон.
Радиотехника:
До 1970-х годов германий был основным полупроводниковым материалом электронной промышленности и широко использовался в производстве транзисторов и диодов. Впоследствии германий был полностью вытеснен кремнием.
Сейчас в электронике германий используется в СВЧ-устройствах.
Прочие применения:
Германий широко применяется в ядерной физике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.
В ювелирном сплаве (серебро пробы 935 либо 960) германий является легирующим элементом, обеспечивающим формирование прозрачного и стойкого защитного оксидного слоя на поверхности изделий.