Германий — редкий полуметаллический элемент серо-белого цвета, нашедший применение в полупроводниковой промышленности.
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 физико-химические свойства этого тогда еще неизвестного элемента.
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 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.
В наше время германий используется в 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 используется в радиолокационной технике. Сейчас это использование сокращается в пользу приложений в оптике.
Германий имеет применение в производстве световодной оптики, так как присутствие в материале оптических волокон 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 работающий полупроводниковый транзистор с точечным контактом 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 получили Нобелевскую премию по физике 1956 года. Термин "транзистор" был придуман инженером и писателем Джоном Робинсоном Пирсом.
Первые монокристаллические полупроводниковые устройства, которые стали коммерчески доступными, в частности оригинальные транзисторы, сделаны в Германии. 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 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 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 компенсировать присутствующие акцепторные примеси. Таким образом, сформирована 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.
