Германий Ge

Широко распространённый, но сильно рассеянный элемент.

В настоящее время получают при побочной переработке материалов других производств: при выплавке медно-свинцово-цинковых руд и из отходов коксования углей. Из исходного сырья получают тетрахлорид германия GeCl₄, который подвергают гидролизу по схеме:

GeCl₄+2H₂O → GeO₂+4HCl;

GeO₂+2H₂ → Ge+2H₂O.

Процесс восстановления производится в электрических печах при температуре около 700˚С с использованием графитовых тиглей. Получают порошок германия, плавят его и подвергают кристаллизации. Чистый германий характеризуется металлическим блеском, высокой твёрдостью и хрупкостью.

При комнатной температуре германий химически устойчив. При 650˚С образуется оксид GeO₂, который хорошо растворим в воде.

T_пл = 936˚С;

= 0,47Ом·м;

= 0,665 эВ;

= 0,39 м²/В·с;

= 0,19 м²/В·с

(все характеристики кроме температуры плавления даны для Т = 300К)

Легирование германия производится элементами III и V групп.

Собственные полупроводниковые свойства при комнатной температуре германий проявляет при содержании примеси в количестве ~ 10^-19 на 1 м³, что при современном уровне технологии невозможно. Таким образом, при комнатной температуре германий всегда примесный.

Германий применяется относительно редко, не смотря на то, что приборы, изготовленные из него, обладают рядом очевидных преимуществ. Германиевые транзисторы, диоды (в том числе и выпрямительные), лавиннопролётные, туннельные, варикапы, датчики высокочастотны (это связано с малой шириной запрещённой зоны).

Не применяется в основном по 2 причинам:

1. Узкий рабочий диапазон температур германиевых приборов - 60…+70˚С;

2. Технологическая причина: маски’рующий материал для кремния – его оксид SiO₂, а для германия GeO₂ не может служить маской.

Лабораторная установка

Назначение

Измеритель электропроводности ИЭП1-03 (в дальнейшем по тексту прибор) предназначен для проведения лабораторного практикума в ВУЗах. Прибор применяется самостоятельно или в составе комплекса МУК-РМ1. Прибор предназначен для исследования температурных зависимостей сопротивления постоянному току металлических, полупроводниковых и диэлектрических образцов.

Условия эксплуатации - лабораторные:

• Температура окружающей среды от 283 до 308 К (от+10 до+35 °С);

• Относительная влажность до 80% при температуре 298 К (+25 °С);

• Атмосферное давление 100 + 4 кПа (750 ± 30 мм рт. ст.);

• Напряжение питающей сети 220 ± 20 В частотой 50 Гц.

Электрические параметры и характеристики

1. Диапазон измеряемых прибором сопротивлений от 0 до 9.912 Ом.

Диапазон измеряемых сопротивлений при использовании линейной шкалы от 0 до 9.99*10⁴ Ом перекрывается поддиапазонами с верхними пределами 9.99*10¹; 9.99*10²; 9.99*10³; 9.99*10⁴ Ом.

Диапазон измеряемых сопротивлений при использовании обратно пропорциональной шкалы от 1.0*10⁵ до 9.9*10¹² Ом перекрывается поддиапазонами с нижними пределами 1.0*10⁵; 3.0*10⁵; 1.0*10⁶; 3.0*10⁶; 1.0*10⁷; 3.0*10⁷; 1.0*10⁸; 3.0*10⁸; 1.0*10⁹; 3.0*10⁹; 1.0*10¹⁰; 3.0*10¹⁰; 1.0*10¹¹; 3.0*10¹¹; 1.0*10¹²; 3.0*10¹².

При этом падение напряжения на измеряемом объекте при использовании линейной шкалы является функцией показаний прибора, т.е. зависит от сопротивления измеряемого объекта и может изменяться от 0 до 1 В. При использовании обратно пропорциональной шкалы напряжение на измеряемом объекте постоянно и равно 10В.

2. Основная погрешность прибора при измерении с линейной шкалой, выраженная в процентах от конечного значения установленного поддиапазона измерения, не превышает ± 2,5%. Основная погрешность прибора при измерении с обратно пропорциональной шкалой, выраженная в процентах от конечного значения установленного поддиапазона измерения, не превышает ± 10%.

3. Время установления показаний прибора не более:

5 с - при использовании линейной шкалы;

30 с - при использовании обратно пропорциональной шкалы с нижними пределами 1.0*10⁵;

3.0*10⁵; 1.0*10⁶; 3.0*10⁶; 1.0*10⁷; 3.0*10⁷; 1.0*10⁸; 3.0*10⁸; 1.0*10⁹; 3.0*10⁹; 1.0*10¹⁰; 3.0*10¹⁰; 1.0*10¹¹ 3.0*10¹¹

5 мин - при использовании обратно пропорциональной шкалы с нижними пределами 1.0*10¹²; 3.0*10¹²

4. Максимальная температура термокамеры 150 °С;

5. Емкость нагрузки при использовании линейной шкалы не более 100 пФ;

6. Емкость нагрузки при использовании нелинейной шкалы не более 10 нФ;

Органы управления

Рисунок 7 Внешний вид прибора и назначение органов управления

Внешний вид прибора представлен на рисунке 7. На передней панели прибора расположены:

1. индикатор шкалы;

2. кнопки выбора поддиапазона;

3. индикатор результата измерения;

4. кнопки выбора температуры;

5. индикатор температуры

6. индикатор нагрева;

7. кнопка выключателя "Сеть";

8. индикатор связи с ЭВМ;

9. кнопка переключения канала;

10. индикатор выбора канала;

11. термокамера.

ВНИМАНИЕ меры предосторожности:

Запрещается вставлять и вынимать вилку питания при нажатой кнопке «Сеть».

Порядок работы с блоком

Включите кнопку "Сеть" 7 (Рисунок 2), при этом загорится индикатор шкалы 1, индикатор результата измерения 3, индикатор выбора температуры 5, индикатор выбора канала 10.

Подымите шторку термокамеры 11. Вставьте измерительную камеру ИК1 до упора. При этом шторка термокамеры должна опуститься.

Кнопками 2 установите требуемый поддиапазон. При этом индикатор 1 укажет на выбранную шкалу (шкала 0-10 - линейный режим работы, а шкалы 1-3 и 3-10 - обратно пропорциональный режим работы).

Кнопкой 9 установите требуемый канал для измерения. Контроль выбора канала осуществляется с помощью индикатора 10.

С помощью кнопок 4 установите требуемое значение температуры термокамеры. При этом нажатии кнопки на индикаторе 5 высветится установленное значение температуры. При повторном нажатии кнопки произойдет коррекция устанавливаемой температуры. Через 2 секунды после завершения установки индикатор 5 перейдет в режим отображения текущей температуры.

Для отключения терморегулятора необходимо установить температуру менее 30°С При этом на экране высветится сообщение "OFF'.

При работе прибора на индикаторе 1 могут отображаться следующие сообщения:

• L - измеряемое сопротивление ниже выбранного поддиапазона;

• Н - измеряемое сопротивление выше выбранного поддиапазона.

Измерительная камера

Измерительная камера ИК1/1-1-5, предназначена для измерения сопротивления металлических и полупроводниковых образцов.

Материал канала 2 – германий (брусок) сечение 2,5 × 2,5 мм, длина 1см, предельная температура нагрева камеры 100°С

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения об электропроводности полупроводников.

2. Изучить лабораторную установку измеритель электропроводности ИЭП1-03, его электрические параметры и характеристики, органы управления и индикации.

3. Получить у преподавателя измерительную камеру с исследуемым образцом и установить в измеритель электропроводности ИЭП1-03.

4. Произвести измерение сопротивления при лабораторных условиях.

5. Задать нагрев образца до температуры 100°С.

6. И через каждые 10°С регистрировать сопротивление образца.

7. Построить график зависимости R = f(T)

8. Рассчитать для каждой точки измерений удельное сопротивление ρ и γ и построить графики зависимостей ρ = f(T) и γ = f(T)

9. Рассчитать ширину запрещенной зоны исследуемого образца.

10. Сравнить полученные значения со справочными и сделать вывод об исследуемом материале.

Примечание для магистрантов (измерения и расчеты производить с учетом точности измерения, обеспечиваемой прибором).