Германий полупроводник: Германий как полупроводник — Справочник химика 21

Германий как полупроводник — Справочник химика 21

    Германий — полупроводник с Довольно большой шириной запрещенной зоны (Д = 0,78 эВ). [c.275]

    Число и природа носителей т(жа в полупроводниках в большей степени зависят от их чистоты и характера примесей. Примеси принято делить на донорные и акцепторные, т, е. на отдающие и присоединяющие электроны. Донорные примеси увеличивают число электронов, а акцепторные — число дырок. Этот эффект примесей можно пояснить на примере германия, у которого имеется четыре валентных электрона. Если атом германия в его решетке заменить пятивалентным атомом мышьяка, то один электрон окажется лишним. Для его участия в проводимости необходимо, чтобы энергетический уровень атома примеси был расположен в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости (непосредственно у ее нижнего края). Тогда каждый атом примеси будет ионизирован и электроны перейдут в зону проводимости. Число отрицательных носителей тока в полупроводнике с донорной примесью больше, чем число положительных носителей тем ие менее уравнение (5. 45) остается справедливым, подобно тому как ионное произведение воды не изменяется при добавлении щелочи. Предположим, что один атом донорной примеси приходится ьа 10 атомов полупроводника. Считая все атомы примеси (иaпp iмep, мышьяка) полностью ионизированными, найдем, что в 1 см германия находится 4,5-10 при- [c.138]

    Из простых полупроводников наиболее распространены кремний и германий. Полупроводники применяют в радиоэлектронных приборах, выпрямителях и др. [c.636]

    Многие алмазоподобные соединения — полупроводники. Они представляют большой интерес как материал для выпрямителей переменного тока, усилителей, фотоэлементов, датчиков термоэлектрических генераторов и др. Многие из них успешно конкурируют с полупроводниковыми германием и кремнием. [c.543]

    УА-группу составляют пять элементов углерод С, крем-ний 81, германий Ое, олово 5п и свинец РЬ. Олово и свинец — металлы, углерод — неметалл кремний и германий — полупроводники. Полупроводником является и бор (В) — первый элемент П1А-группы, в которую входят еще четыре металла. Основные характеристики неметаллов и полупроводников этих двух групп приведены в табл. 24. [c.272]

    Изменение структуры в ряду С—РЬ соответствует изменению их физических свойств. Кремний, германий и а-олово — полупроводники, а (3-олово и свинец — металлы. Изменение типа химической связи в ряду С (алмаз) — РЬ от ковалентной до металлической сопровождается понижением твердости веществ. Алмаз — самый твердый из всех простых веществ, довольно твердые и хрупкие кремний и германий, свинец же легко прокатывается в топкие листы. [c.188]

    Элементарные вещества и соединения некоторых р-элементов имеют большое значение для новой техники. Например, элементы IVA-подгруппы кремний и германий — полупроводники широко применяется в промышленности алмаз. [c.304]

    По внешнему электронному уровню, радиусам атомов и ионов группа делится на две подгруппы IVA — С, Si, Ge, Sn, Pb и IVB — Ti, Zr, Hf, Ku. По структуре предвнешнего электронного уровня главную подгруппу IVA можно разделить на два семейства С, Si к семейство германия. Величины / ат и Rkoh изменяются закономерно от С к РЬ, и, значит, строение предвяешнего электронного уровня мало сказывается на свойствах элементов. Главная роль принадлежит изменению размеров атома, т. е. электронам внешнего уровня. В IV группе ясно проявляется тенденция усиления металлических свойств с увеличением порядкового номера при сохранении подобия внешнего энергетического уровня электронов. Углерод типичный неметалл, кремний фактически тоже неметалл титан, сохраняя в свободном состоянии качества металла, в степени окисления -Ь4 образует связи ковалентного характера и в некоторых отношениях соединения его с этой степенью окисления похожи на элементы подгруппы IVA (Si, Ge и особенно Sn). Германий — полупроводник, а остальные элементы — металлы. Изменение степени окисления в соединениях элементов двух подгрупп IVA и IVB взаимно противоположно в главной подгруппе с увеличением порядкового номера устойчивость высшей степени окисления падает (для свинца более стабильно состояние +2), а в подгруппе т та-на растет.  [c.326]

    При обычных условиях алмаз — диэлектрик, олово и свинец -металлы, а кремний и германий — полупроводники. Ширину запрещенной зоны можно уменьшить, сблизив атомы. Действительно, при давлениях в несколько мегапаскалей многие диэлектрики, в частности алмаз и кварц, переходят в металлическую форму. [c.90]

    Однако чистый теллур как полупроводник применяют ограниченно — для изготовления полевых транзисторов некоторых типов и в приборах, которыми меряют интенсивность гамма-излучения. Да еш,е примесь теллура умышленно вводят в арсенид галлия (третий по значению после кремния и германия полупроводник), чтобы создать в нем проводимость электронного типа .  [c.18]

    Так как свойства вещества — механические, электрические, оптические, химические — определяются энергетическим состоянием валентных электронов, то в первую очередь нас интересует соответствующий участок энергетического спектра. Параметры последнего — значения ширины валентной, запрещенной зон, зоны проводимости и положение различных локализованных уровней — могут быть определены путем изучения оптических спектров, электропроводности и других свойств твердого вещества (см. гл. IX). Зная эти параметры, можно решать обратную задачу определять по ним неизвестные нам свойства вещества. Не случайно общепринятое деление твердых веществ на изоляторы, проводники, полуметаллы и металлы основывается на значениях ширины запрещенной зоны. Возьмем, например, ряд простых веществ алмаз, кремний, германий, олово, свинец. Каждое из этих вещёств по-своему замечательно и каждое используется как незаменимый материал, но в совершенно различных областях техники, а кремний и германии находят применение в полупроводниковой технике. Природа данных веществ изменяется скачками, как атомные номера соответствующих элементов. Скачками изменяется и ширина запрещенной зоны при переходе от одного аналога к другому. Для алмаза эта величина составляет 5,6 эВ. Это — изолятор, самое твердое из веществ. Для кремния она равна 1,21 эВ. Такой энергетический барьер уже много доступнее для валентных элек- тронов отсюда полупроводниковые свойства данного вещества. Ширина запрещенной зоны германия 0,78 эВ — он полупроводник с высокой подвижностью носителей тока — электронов и дырок. Наконец, серое олово по ширине запрещенной зоны, равной всего 0,08 эВ, занимает последнее место в данном ряду и относится скорее к металлам, чем к полупроводникам, а белое олово — настоящий металл. Так с изменением ширины запрещенной зоны закономерно изменяется природа твердого вещества. [c.105]

    Другие элементы IV группы неспособны давать структуры этого типа, так как они не образуют устойчивых рл—Рл-связей, необходимых для ее осуш,ествления. Наличие я-системы в слоях обусловливает электрическую проводимость, и графит поэтому используют в электропромышленности. Несмотря на то что кремний и олово имеют структуру алмаза, оба они обладают заметной проводимостью (удельное сопротивление ГО и 11 мкОм-см при 0°С соответственно), а германий — полупроводник с удельным сопротивлением 5-10 мкОм-см при 22°С. [c.222]

    Бесцветный газ т. пл. — 165°С т. кип. —88,5°С р 3,42. Содержится в выбросах производств сверхчистого германия, полупроводников.  [c.47]

    Германий — полупроводник с довольно большой шириной запрещенной зоны (А =0,78 эВ). [c.275]

    Изменение структуры простых веществ в ряду Ое — 5п — РЬ соответствует изменению их физических свойств. Так, германий (АЕ = = 0,78 эВ) и а-олово (АЕ 0,08 эВ) — полупроводники, а Р-олово [c.422]

    Пользуясь данными, приведенными в этой главе, решите задачи, аналогичные задачи 12, применительно к полупроводникам-кремнию и германию. [c.643]

    Применение. Германий широко используется как полупроводник. [c.387]

    В. Ф. Киселев (1961 г.) получил надежные опытные доказательства и дал теоретическое обоснование строгого подчинения процесса хемосорбции закономерности стехиометрии. Совместно с сотрудниками им было установлено, что величины и теплоты сорбции на графите обусловлены количеством и характером межатомных связей, возникающих между атомами сорбата и атомами поверхности сорбента. Он отмечает, что хемосорбция на атомарно чистой поверхности приводит к насыщению разорванных на поверхности химических связей. Происходит восстановление нормальной гибридизации орбиталей поверхностных атомов благодаря их связи с хемосорбированными атомами. Исследование поверхности полупроводников со структурой алмаза, а именно монокристаллов германия и кремния методом дифракции медленных электронов, показало, что при сорбции на них кислорода, иода, брома, воды и атомов некоторых металлов действительно восстанавливается порядок в расположении атомов на поверхности, что и позволяет восстанавливать нормальную гибридизацию. [c.199]

    Изменение структуры простых веществ в ряду Ое — 8п — РЬ соответствует изменению их физических свойств. Так, германий (А =0,78 эв) и а-олово (А =0,08 эв) — полупроводники, а Р-олово и свинец — металлы. Изменение типа химической связи от преимущественно ковалентной к металлической сопровождается понижением твердости простых веществ. Так, германий довольно тверд и хрупок, свинец же легко прокатывается в тонкие листы.  [c.483]

    Химические связи в соединениях углерода, кремния, германия, олова (IV) и свинца (IV) носят ковалентный или преимущественнсг ковалентный характер, а в соединениях Sn(II) и РЬ(И) — смешанный пли преимущественно попиый. Олово и свинец — менее типичные и менее активные металлы, чем металлы IA-, IIA-, ША-групп, германий — полупроводник. [c.217]

    Германий тоже кристаллизуется в решетке типа алмаза. Каждый его атом окружен четырьмя другими, находящимися на расстоянии 0,243 нм. Кристалл хорошо очищенного германия — полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 0,72 эВ. Электропроводность порядка 10 Ом» — м растет с температурой. Плавление германия сопровождается увеличением координационного числа от 4 до 7. Одновременно возрастает и межатомное расстояние до 0,28 нм [19, 33, 34]. Резкое изменение структуры при плавлении сопровождается очень большим приростом энтропии, Д5пл=28,85 Дж/К X Хмоль, и скачкообразным увеличением электропроводности. Жидкий германий — металл (подробнее см. [21, 33]). Фазовые диаграммы германия и кремния похожи. Кривые плавления имеют отрицательные производные с1Т1йР. [c.202]

    Примерами интерметаллических соединений с преимущественно неметаллическим характером межатомного взаимодействия могут служить фазы со структурой типа антифлюорита в системах магний—свинец (олово, германий), полупроводники групп Л и Л 5 (1пАз, С(15е и т. д.) и ряд других фаз. [c.117]

    Если в собственно полупроводник ввести акцепторную примесь, например в германий ввести атом галлия, у которого лищь три валентных электрона, то к нему от германия перейдет один из электронов, и в валентной зоне появится дырка. Условием такого перехода является близость энергетического уровня примеси, располагающегося в запрещенной для германия зоне, к верхнему уровню валентной зоны германия. Концентрация дырок в этом случае становится преобладающей, и собственно полупроводник превращается в примесный полупроводиик р-тла, или в р-полупроводник. Для полупроводников с примесной проводимостью пфрфп[ и вместо (5.46) следует писать [c.139]

    В периодической системе нет резкой границы между элементами с металлической структурой и элементами с ковалентной каркасной структурой (рис. 14-8). Это видно из того, что кристаллы некоторых элементов обладают свойствами, промежуточными между проводниками и изоляторами. Кремний, германий и а-модификация олова (серое олово) обладают кристаллической структурой алмаза. Однако межзонная щель между заполненной и свободной зонами в этих кристаллах намного меньше, чем для углерода. Так, ширина щели для кремния составляет всего 105 кДж моль (Как мы уже знаем, для углерода она равна 502 кДж моль .) Для германия ширина межзонной щели еще меньше, 59кДж моль а для серого олова она лишь 7,5 кДж моль Ч Металлоиды кремний и германий называются полупроводниками. [c.631]

    Обичпо к металлам относят вен1есгна с электрической проводимостью 1(У -10 Ом -см к полупроводникам с 10 10 Ом -см , к диэлектрикам с 10 » Ом -см и метине. Объясните, как влияет гнп свя электрическую проводимость тпсрлих веществ па примере алмаза, германия и свим[1а, [c.109]

    Многие вещества с тетраэдрическими связями — полупроводники. Они представляют большой интерес как материал для выпрямителей переменного тока, усилителей, фотоэлементов, датчиков, термоэлектрических генераторов и др. Многие из них успешно конкурируют с полупроводниковыми германием и кремнием. На основе InSb работают приборы, сигнализирующие о появлении нагретого тела на большом расстоянии. Арсенид галлия GaAs более перспективен, чем Si, в солнечных батареях. [c.202]

    Монокристаллы германия, кремния, арсенида галлия, сульфида свинца и т. п. используют для изготовления полупроводниковой аппаратуры диодов, триодов и т. д. (см. разд. У.14). Монокристаллы рубина, фторида лития и некоторые полупроводники применяются в лазерах. Монокристаллы кварца, каменной соли, кремния, германия, исландского шпата, фторида лития и др. применяют в оптических узлах многих приборов физико-химического анализа. Монокристаллы кварца и сегиетовой соли используют для стабилизации радиочастот, генерирования ультразвука, изготовления основных деталей микрофонов, телефонов, манометров, адаптеров и т. д. Монокристаллы алмаза широко используются при обработке особо твердых материалов и бурении горных пород. Отходы монокристаллов рубина нашли применение в часовой промышленности. Многие монокристаллы применяются так же в качестве украшений (бриллиант, топаз, сапфир, рубин и др.). [c.38]

    Примером более слолопределение примесей в металлическом германии свойства этого материала, применяющегося, например, в качестве полупроводника для детекторов, чрезвычайно сильно зависят от присутствия очень малых количеств примесей других элементов. Для определения микропримесей редкоземельных элементов, сурьмы, молибдена, меди и др. поступают следующим образом . В ядерный реактор вводят испытуемый образец германия и чистый образец с известным количеством введенных примесей. После облучения образцы растворяют, вводят в качестве носителей-коллекторов нерадиоактивные изотопы определяемых элементов. Германий отгоняют в виде легколетучего тетрахлорида, а остаток подвергают разделению химическими методами, осаждая отдельно группу редкоземельных элементов, отдельно сурьму, медь и другие определяемые элементы. Активность выделенных фракций сравнивают с активностью фракций эталона и на этом основании вычисляют содержание микропримесей в испытуемом образце. Таким методом удается определить миллионные доли процента примесей редкоземельных элементов— до З-Ю / о сурьмы, молибдена и др. [c.21]

Полупроводники германия — Энциклопедия по машиностроению XXL

Характеристики некоторых полупроводников. Германий (Ge) имеет серебристый цвет, он расположен в IV группе периодической системы его порядковый номер 32, атомный вес 72,6 имеет решетку типа алмаза и ковалентную связь атомов. Удельная электропроводимость германия при 20 С 1000—10″ ом -см . Величина запрещенной зоны у германия уменьшается и определяется по формуле  [c. 289]

Успехи в создании преобразователей изображения позволили распространить методы фотоупругого анализа на материалы, непрозрачные в видимом свете (полупроводники, германий и кремний, инфракрасные стекла и ряд других). Известны телевизионные инфракрасные полярископы, системы с лазерным сканированием (полярископы с оптико-механическим сканированием объекта).  [c.111]

Общие положения н схемы обработки. Ультразвуковая абразивная обработка эффективна при обработке заготовок из конструкционных материалов, имеющих низкую обрабатываемость резанием, электрофизическим и электрохимическим методами. Это заготовки из хрупких и твердых неэлектропроводных, химически стойких материалов, таких, как стекло, кварц, керамика, ситалл, алмаз, полупроводники (германий, кремний, арсенид галлия), азотированных и цементированных сталей и др.  [c.609]

Германий. Важнейший материал для полупроводников — германий. Имеет кубическую решетку типа алмаза с параметром а = 5,6 А, его удельный вес 5,3, а температура плавления 958° С.  [c.464]

Рассмотрим строение типичного полупроводника — германия.  [c.44]

Наибольшее применение из материалов высокой чистоты получили элементарные полупроводники германия и кремния. Они имеют кристаллическую решетку типа алмаза.  [c.66]

Велики технологические трудности. Опыт по получению пленок элементарных полупроводников — германия и кремния — показы вает, что для получения пленки определенного контролируемого ти па проводимости необходим высокий вакуум (10 —10 мм рт. ст.) Полупроводниковые пленки чрезвычайно чувствительны к загряз нениям при нанесении, так как эти примеси и будут в итоге опреде лять проводимость пленки. Поэтому в данном случае наилучшим методом испарения будет бестигельный, с помощью электронной бомбардировки.  [c.164]

Транзистор, или полупроводниковый триод, имеет базу, т. е. миниатюрную пластинку из полупроводника (германия или крем-  [c.104]

Чем чище полупроводниковый материал, тем больше подвижность электронов и дырок и тем выше проводимость полупроводников. В тщательно очищенных (чистых) полупроводниках собственная проводимость все же относительно невелика вследствие незначительного количества свободных носителей тока — электронов и дырок. В технических полупроводниковых материалах повышение проводимости достигают введением в тщательно очищенные полупроводники (германий, кремний и др.) легирующих примесей.  [c.306]

У точечных диодов р-л-переход образуется в очень небольшой области соприкосновения острия металлической проволочки (иглы) с пластиной германия или кремния. Вследствие очень малой емкости точечных диодов они находят главное применение в технике высоких частот. У плоскостных диодов р-л-переход образуется на большей площади по сравнению с точечными диодами — на границе раздела двух полупроводников с различного типа проводимостями. Наиболее распространенными плоскостными диодами являются сплавные диоды, у которых р-га-переход образуется в результате сплавления акцепторной примеси (алюминий, индий и др.) с основным полупроводником (германий, кремний).  [c.326]

Германиевый диод (рис. 44) представляет собой пластину 2 из полупроводника германия, в которую вплавлена капелька У металла индия. На их границе образуется запирающий слой 3, пропускающий ток только в направлении от металла индия к германию. Недостатком германиевых диодов является низкая рабочая температура. Уже при 60°С они начинают проводить ток в обоих направлениях.  [c.97]

Результаты исследований ряда авторов по распространению тепловых волн при низкой температуре в монокристаллических диэлектриках (кварце, сапфире, щелочно-галоидных кристаллах), полупроводниках (германии, кремнии, сурьме), металлах (галии, олове, алюминии, свинце) освещены в обзоре [21]. Обнаруженные при этих исследованиях эффекты подобны распространению второго звука в жидком гелии [75]. Определены оптимальные температуры и порядок частот наблюдения этого явления в указанных материалах Установлено, что скорость распространения тепла — величина порядка скорости звука в металлах и совпадает со скоростью звука в полимерах и диэлектриках [21].  [c.120]

Вторая зонная структура, которую мы рассмотрим, принадлежит германию — типичному полупроводнику. Германий имеет кристаллическую структуру алмаза — гранецентрированную кубическую решетку с двумя одинаковыми атомами в каждой примитивной ячейке. Таким образом, зона Бриллюэна, линии и точки симметрии остаются теми же, что и раньше. Зонная структура германия показана на фиг. 29. В противоположность алюминию энергетические щели между зонами здесь довольно велики. Снова энергия в первой зоне начинает возрастать из точки Г, сильно напоминая параболу для свободных электронов, но искажения теперь значительно более сильные. Зоны в алмазе и кремнии очень похожи на зоны в германии.  [c.107]

Полупроводники германий (Ое), кремний (51), карбид кремния (51С), селей (5е), сульфид кадмия (С (15), арсенид галлия (ОаАз).  [c.22]

Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника, в который добавлено небольшое количество примеси, показана на рис. 5.7 [12]. На практике в полупроводнике всегда присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси, и разработчик полупроводниковых термометров сопротивления может лишь выбирать соотношение между теми и другими. Для описания процессов проводимости рассмотрим германий, содержащий донорные атомы мышьяка в концентрации N(1 и какие-либо акцепторные атомы в концентрации Л а-На рис. 5.7 можно выделить четыре температурных диапазона, в каждом из которых преобладает какой-либо один механизм проводимости». В высокотемпературном диапазоне [I] проводимость обусловлена главным образом электронами, термически возбужденными из валентной зоны в зону проводимости согласно уравнению (5.8), поскольку все примесные атомы давно уже ионизованы. Это область собственной проводимости для германия она начинается чуть выше 400 К. Этот диапазон не представляет особого интереса для германиевых термометров сопротивления.  [c.198]

Схема интегральная (твердая) — микроминиатюрная радиоэлектронная схема, работа которой основана на использовании различных эффектов, имеющих место в твердом теле наиболее широкое распространение в качестве твердого тела для этой цели получили полупроводники на основе германия и кремния в виде пластин, на которых образованы зоны, выполняющие функции активных и пассивных элементов, т. е. диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности [9].  [c.154]

Транзистор выращенный — транзистор, изготовленный путем выращивания монокристалла германия или кремния из расплава полупроводника благодаря периодическому внесению в расплав различных легирующих примесей или периодическому изменению скорости вытягивания кристалла в выращиваемом монокристалле создаются чередующиеся зоны с электронной и дырочной проводимостью при выпиливании соответствующего куска монокристалла получают транзисторную структуру [9].  [c. 157]

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. При температуре около 300 К средняя энергия теплового движения атомов в полупроводниковом кристалле составляет около 0,04 эВ. Это значительно меньше энергии, необходимой для отрыва валентного электрона, на-  [c.154]

Для изготовления транзистора из монокристалла германия с электронной проводимостью в него с двух противоположных сторон вводится примесь атомов индия. Две области монокристалла германия с примесью индия становятся полупроводниками с дырочной проводимостью, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают  [c.159]

Найдем, в качестве примера, положение локальных разрешенных уровней примесных атомов V группы таблицы Менделеева в элементарных полупроводниках IV группы. Предположим, например, что в одном из узлов кристалла германия находится атом мышьяка, имеющий пять электронов в валентной оболочке. Четыре валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия.- Поскольку ковалентная связь является насыщенной, пятый электрон новой связи образовать не может. Находясь в кристалле, он сравнительно слабо взаимодействует с большим числом окружающих мышьяк атомов германия. Вследствие этого его связь с атомом As уменьшается и он движется по орбите большого радиуса. Его поведение подобно поведению электрона в атоме водорода. Таким образом, задача сводится к отысканию уровней энергии водородоподобного атома. При ее решении необходимо учесть следующие обстоятельства. Поскольку электрон движется не только в кулоновском поле иона мышьяка, но и в периодическом поле решетки, ему необходимо приписать эффективную массу т. Кроме того, взаимодействие электрона с атомным остатком As+, имеющим заряд Ze, происходит в твердом теле, обладающем диэлектрической проницаемостью г. С учетом этого потенциальная энергия электрона примесного атома  [c.237]

Одновременно с процессом образования свободных носителей генерацией) идет процесс их исчезновения рекомбинации). Часть электронов возвращается из зоны проводимости в валентную зону и заполняет разорванные связи (дырки). При данной температуре за счет действия двух конкурирующих процессов генерации и рекомбинации в полупроводнике устанавливается некоторая равновесная концентрация носителей заряда. Так, например, при комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок составляет в кремнии примерно 10 ° см 3, в германии приблизительно Ю з см-з.  [c.242]

Опыт показывает, что с увеличением концентрации доноров (или акцепторов) наклон прямых 1па от 1/Т в области примесной проводимости уменьшается. Согласно (7.168) это значит, что уменьшается энергия ионизации примеси. При некоторой критической концентрации она обраш,ается в нуль. Для элементов пятой группы в германии эта критическая концентрация составляет ЗХ Х10 см , в кремнии 8-10 см . Полупроводник, в котором энергия ионизации примеси обратилась в нуль, называют часто полуметаллом. В нем концентрация электронов и электропроводность нечувствительны к температуре (кроме области температур, где начинается собственная проводимость).  [c.254]

Аморфные твердые тела с тетраэдрическими связями, такие, как кремний, германий, соединения А В . Эти полупроводники в аморфном состоянии нельзя получить путем охлаждения расплава. Их получают, обычно, в виде тонких пленок с помощью различных методов осаждения (термическое испарение в вакууме, катодное напыление и т. д.). Их свойства в значительной степени подобны свойствам кристаллических аналогов.  [c.360]

Влияние примесей на электрические свойства аморфных полупроводников. Долгое время считалось, что аморфные полупроводники в отличие от кристаллических нечувствительны к введению в них примесей. Попытки легирования их атомами, которые в кристаллических полупроводниках являются донорами или акцепторами, не приводили к успеху. Одно из объяснений такого поведения было дано Губановым и несколько позднее Моттом. Оно сводится к тому, что в аморфных веществах может осуществляться такая перестройка связей, что все валентные электроны примесного атома будут участвовать в связях. Так, например, в кристаллическом кремнии атом фосфора образует четыре ковалентные связи. Пятый валентный электрон примесного атома в образовании связей не участвует. Предполагается, что в аморфном кремнии (или германии) атом фосфора окружен пятью атомами кремния (рис. 11.10). Если это так, то в аморфных полупроводниках не должны образовываться примесные уровни.  [c.364]

Подобно другим полупроводникам, германий применяют для изготовления термистеров. Здесь использована сильная зависимость электросопротивления германия от температуры, что позволяет легко определять температуру по изменению электросопротивления. С помощью маленьких германиевых пластинок, служащих термистерами, можно измерять температуру в любом месте помещений, трубопроводов, судов и различных механизмов, что позволяет легко осуществить автоматическую сигнализацию и управление.  [c.531]

Электрические свойства кристаллического твердого тела определяются его зонной структурой, т. е. спектром разрешенных энергетических состояний его электронов, и степенью заполнения этих зон. В кристаллическом кремнии при нулевой температуре валентные электроны (по четыре от каждого атома) заполняют всю валентную зону , отделенную от пустой зоны проводимости энергетической щелью шириной примерно в 1 эБ. В элементарных полупроводниках германий и кремнии модао проследить происхождение запрещенной зоны из ковалентных связей между атомами валентная зона образуется связанными состояниями с более низкой энергией, а зона проводимости —высоколежащими антисвязанными состояниями 1) Поскольку дальнейшее увеличение кинетической энергии электронов, находящихся в заполненной зоне, невозможно, оказывается, что в основном состоянии кристалла подвижные носители заряда отсутствуют, так что при Т— 0 кристалл является диэлектриком,  [c.127]

Важнейшие полупроводники — германий и кремний нашли широкое применение во многих областях техники, особенно з радиоэлектронике, электротехнике и т. п. Эти элементы благодаря высокой подвижности в них носителей тока, обусловленной характером и пространственным расположением электронных связей в них, оказались пригодными для изготовления ряда новых полупроводниковых приборов, таких, как германиевые и кремниевые выпрямители и кристаллические усилители (транзисторы), фотоприемники и пр. Весьма перспективно использование кремния в новых источниках тока— солнечных батареях, преобразующих энергию солнечного света непосредственно в электрическую энергию с к. п. д., превышающим 10%.  [c.178]

По этому методу хорошо обрабатываются твердые и хрупкие материалы, в том числе нетокопроводящие керамика, кварц, рубин, алмаз, стекло (включая жаропрочное), фарфор, полупроводники (германий, кремний), твердые сплавы и др.  [c.14]

Подобно другим полупроводникам, германий применяют для изготовления термистеров. Здесь использована сильная зависимость электросопротивления германия от температуры, что позволяет легко определять температуру по изменению электросопротивления. С помощью маленьких германиевых пластинок, служащих термистерами, можно измерять температуру в любом месте помещений, трубопроводов, судов и различных механизмов, что позволяет легко осуществить автоматическую сигнализацию и управление. Термистеры используют также в реле времени и в приборах, обеспечивающих постепенное (с заданной скоростью) увеличение тока в цепи.  [c.380]

Полупроводники занимают по величине удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Особенности свойств полупроводников позволяют широко использовать их в различных отраслях электротехники в технике связи, в широком диапазоне частот, в различных устройствах радиоэлектроники и в технике сильного тока. Их применяютв выпрямителях, в усилителях, в фотоэлементах, в качестве специальных источников тока и т. п. Наряду со сравнительно давно известными полупроводниками, такими как селен, окислы, сульфиды, различные соединения химических эле ментов и изделия из электротехнического угля, в последние годы стали широко применять в качестве полупроводников Германий и кремний. В полупроводниковой технике эти материалы занимают очень важное место и безусловно сыграют в будущем большую роль в развитии многих отраслей электротехники.  [c.12]

В полупроводниковых диодах р— -переход осуществляется или в виде сплавного контакта между двумя полупроводниками с разного типа электропроводностями, или в виде контакта между пластинкой полупроводника и металлическим острием. В первом случае образуется некоторая плсщадь соприкосновения (контакт) двух пOv yпpoвoдникoв и такие диоды называются плоскостными. Во втором случае пластинка полупроводника (германия или кремния) размером 2 X 2 мм соприкасается с острием металлической тонкой проволоки (такие диоды называются точечными). Точечные диоды обладают очень малой емкостью р— -перехода и применяются на высоких частотах.  [c.95]

Другую группу фотоприборов составляют светодиоды или люминесцентные диоды, в которых прп пропускании прямого тока через р—п-переход происходит интенсивное свечение. Выделение энергии в виде излучения происходит вследствие рекомбинации электрона с дыркой прп переходе электронов в р-область и наоборот. В некоторых полупроводниках (германий, кремний) энергия, выделяющаяся в результате рекомбинации, передается главным образом кристаллической решетке. Однако в арсениде и фосфиде галлия процесс рекомбинацни сопровождается выделением энергии в виде излучения, поэтому в оптоэлектронике эти материалы находят все более широкое применение.  [c.249]

Для изготовления полупроводниковых приборов используют следующие элементарные полупроводники германий, кремний, бор, углерод, селен, теллур, форсфор и др. Из них наибольшее распространение получили германий и кремний.  [c.180]

S/D поправочный множитель в (2.18) может быть значительно больше единицы, что соответствует появлению максимума на спектральной зависимости стационарной фотопроводимости. Например, при D = 20 см2/с и 5″ = 10 см/с такой максимум будет наблюдаться при а полосы поглощения регистрировались для ряда полупроводников — германия, кремния, GaAs и др. — см., например, рис.2.9.  [c.63]

Оптические свойства. Исследование оптических свойств кристаллических полупроводников дает обширную информацию об их зонной структуре. Данные об энергетическом спектре аморфных полупроводников также могут быть получены из оптических измерений. Первостепенная роль отводится при этом измерениям спектров поглощения. Спектры поглощения аморфных полупроводников удобно сравнить со спектром тех же материалов в кристаллическом состоянии. Это можно сделать в случаях германия, кремния, соединений селена и теллура. На рис. 11.14 в качестве примера приведен край спектра оптического поглощения аморфного кремния, который сравнивается с соответствующим спектром кристаллического кремния. Аналогичные данные получены для аморфного германия, арсенида и антимонида индия и некоторых других полупроводников.  [c.367]

Полупроводник — тип — германий

Полупроводник — тип — германий

Cтраница 1

Полупроводник типа германия имеет у границы зоны Бриллюэна почти изотропную оптически разрешенную ширину запрещенной зоны Ее, из-за чего у этого полупроводника имеется существенное поглощение.
 [1]

Полупроводник типа германия имеет у границы зоны Бриллюэна почти изотропную оптически разрешенную ширину запрещенной зоны § g, из-за чего у этого полупроводника имеется существенное поглощение.
 [2]

В работе [ 11 рассмотрены катализаторы, охватывающие больший интервал Да:, в том числе полупроводники типа германия и кремния или А ( III) — В ( V) с Да, равными нулю или близкими к нулю. Как уже указывалось в ГЗ ], протекание дегидрирования спиртов по различным механизмам на поверхности окислов-полупроводников и на твердых основаниях приводит к противоположным зависимостям каталитической активности от Да; и уменьшает соответствующий корреляционный коэффициент.
 [3]

Хотя здесь применяются термины валентный уровень и уровень проводимости, это отнюдь не означает, что носители делокализованы в том же смысле, как это имеет место в полупроводниках типа германия. В действительности в гомомолекулярных кристаллах ( например, в антрацене) при комнатной температуре носители сильно локализованы, и традиционная одноэлектронная зонная модель не дает адекватного описания всех особенностей проводимости в этих кристаллах ( разд. Именно по этой причине вместо обычного термина зона иногда пользуются термином уровень. Неприменимость зонной теории в одноэлектронном приближении к кристаллам ароматических углеводородов обусловлена сильными поляризационными эффектами в узкозонных полупроводниках. Наличие высокой энергии поляризации само по себе еще не является препятствием для переноса заряда между соседними узлами решетки. Насколько легко такой перенос сможет осуществиться, целиком зависит от отношения энергии поляризации к энергии взаимодействия между ближайшими соседями. Так, например, в молекулярном кристалле типа антрацена энергия межмолекулярного взаимодействия значительно ниже энергии поляризации и носители будут обнаруживать склонность к локализации. В широкозонных материалах типа германия или кремния энергия поляризации меньше энергии межатомного взаимодействия и, следовательно, время переноса заряда между соседними узлами решетки мало.
 [4]

Все эти свойства весьма существенны для полупроводниковой электроники, изучающей выпрямление и усиление в полупроводниковых приборах. Из ранних работ [2-5], в которых измерялась главным образом контактная разность потенциалов, следовало, что на полупроводниках типа германия и кремния существуют поверхностные уровни. Из этих работ не удалось определить точной картины энергетических уровней, однако более позднее исследование Браттэна и Бардина1) дает более детальные сведения об энергетической структуре поверхностных уровней.
 [5]

Аналогичный расчет может быть произведен и для акцепторной примеси. Согласно эксперименту для атомов сурьмы и алюминия в решетке германия значения энергии ионизации соответственно равны 0 0097 и 0 010 эв. Таким образом, в первом приближении теоретический расчет энергии ионизации для элементов V и III групп таблицы Менделеева, которые являются донорной и акцепторной примесью в полупроводниках типа германия и кремния, хорошо согласуется с экспериментальными данными.
 [6]

Рассмотрим теперь причину высокого электрического сопротивления ферритов. Однако кристаллическая решетка ферритов состоит из чередующихся положительно и отрицательно заряженных ионов. Поэтому механизм электропроводности ферритов должен отличаться от механизма электропроводности полупроводников типа германия с большой длиной свободного пробега носителей тока.
 [7]

Здесь мы не будем рассматривать имеющую место сильную зависимость квантового выхода объемной генерации носителей от напряженности электрического поля, разделяющего заряды, — мы остановимся на этом в разд. Сейчас нас интересует механизм превращения возбужденного молекулярного состояния в ионизованное. Существуют два основных вида ионизации: один из них принято называть межзонным переходом, или мо-низациьнным переходом зона — зона, другой известен как автоионизационный переход. При межзонном переходе электрон непосредственно возбуждается из основного в ионизованное состояние; этот переход конкурирует с оптическим переходом из основного в высшее возбужденное состояние. В полупроводниках типа германия и кремния собственная ионизация происходит путем переходов зона — зона.
 [9]

В работах первой группы изучаются излучательные и безызлучательные переходы электронов, локализованных у примесных центров. Эти исследования составляют теоретическую основу для интерпретации экспериментальных данных, касающихся формы примесных полос поглощения света, тушения люминесценции, вероятностей термической ионизации примесных центров и сечений захвата носителей тока последними. В статьях 47 и 48 дается обобщение известного метода эффективной массы [27] на случай зон с минимумами не в центре зоны Бриллюэна, а также на случай вырожденных зон и наличия магнитного поля. Результаты используются ( в статьях 49 и 50) для исследования локальных уровней водородного типа в кремнии. В статье 51 анизотропия изоэнергетических поверхностей ( равно как и анизотропия времени релаксации) принимается во внимание при построении теории кинетических коэффициентов в полупроводниках типа электронного германия. Ввиду неизбежной ограниченности объема сборника мы не имели возможности перевести все ( довольно многочисленные) статьи на эту тему, появившиеся за последние годы; в данной работе дано, по-видимому, наиболее полное рассмотрение вопроса.
 [10]

Страницы:  

   1

Полупроводниковые материалы германий и кремний: структура, химический состав

Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению  p занимают место между проводниками и диэлектриками (p= 10^~3…10⁸Ом • см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению  p занимают место между проводниками и диэлектриками (p= 10^~3…10⁸Ом • см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей и температуры.

В полупроводниках присутствуют подвижные носители заряда двух типов: отрицательные электроны и положительные дырки.

Чистые (собственные) полупроводники в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Техническое применение получили так называемые примесные полупроводники, в которых в зависимости от рода введенной примеси преобладает либо электронная, либо дырочная проводимость.

Если в кристаллическую решетку 4-валентного кремния ввести примесь 5-валентного элемента (фосфора P , сурьмы Sb , мышьяка As ), то четыре валентных электрона каждого примесного атома примут участие в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый валентный электрон окажется избыточным. Он слабо связан с атомом и легко превращается в свободный.

При этом атом примеси превращается в положительный неподвижный ион. Увеличение концентрации свободных электронов увеличивает вероятность рекомбинации, поэтому концентрация дырок уменьшается. При нормальной температуре практически все атомы приме­си превращаются в положительные неподвижные ионы, а число свободных электронов значительно превышает число дырок. Основными носителями заряда в таких полупроводниках являются электроны, поэтому такой полупроводник называется полупроводником n-типа (электронного типа). Неосновными носителями заряда в нем являются дырки. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами.

При введении примеси 3-валентного элемента (бора B , индия In , алюминия А l ) три валентных электрона каждого атома примеси принимают участие в образовании только трех ковалентных связей, а для четвертой связи атом примеси забирает электрон из какой-либо другой связи между атомами кремния, образуя при этом дырку. Атом примеси превращается в отрицательный неподвижный ион. Таким образом, 3-валентная примесь увеличивает концентрацию дырок, что в свою очередь уменьшает концентрацию электронов. Основными носителями заряда таких полупроводников являются дырки, поэтому полупроводник называется полупроводником p -типа (дырочного типа). Неосновными носителями заряда являются электроны. Вещества, отбирающие электроны, называются акцепторами.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов примеси N должна превышать концентрацию электронов n и дырок p в собственном полупроводнике ( n = p ). Практически всегда N гораздо больше n и p.

Концентрация неосновных носителей уменьшается во столько раз, во сколько раз увеличивается концентрация основных носителей. Это объясняется увеличением вероятности рекомбинации. Для примесного полупроводника справедливо равенство  np = n_ip_i = n_i2 = p_i2,где n,p— концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике. Число атомов примеси мало по сравнению с числом атомов полупроводника. Если использовать фосфор P, атомный вес которого примерно равен атомному весу кремния, и добавить в 1 кг расплава кремния только 20 мкг фосфора, то эта добавка увеличит число свободных электронов на 5 порядков. На столько же порядков уменьшится концентрация неосновных носителей.

Концентрация основных носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей, возникающих за счет генерации пар электрон-дырка, пренебрежимо мало по сравнению с общим числом основных носителей. В то же время концентрация неосновных носителей мала и сильно зависит от температуры, увеличиваясь в 2—3 раза при увеличении температуры на каждые 10³  С.

Германий и кремний (полупроводники) » Все о металлургии

14.05.2015

Последнее десятилетие характеризуется бурным развитием физики полупроводников. В настоящее время, пожалуй, не существует ни одном области техники, в которой не использовались бы полупроводники. Они служат катализаторами, счетчиками ядерных частиц, источниками мощных потоков электронов в вакуумных приборах. На основе полупроводников создано много приборов, которые вырабатывают холод, превращают энергию радиоактивного излучения (лучистую, тепловую и звуковую) непосредственно в электрическую, выпрямляют переменный ток, усиливают в миллионы раз слабые пучки электронов, регулируют силу тока и напряжение, защищают от грозовых разрядов и перенапряжения линии высоковольтных передач и выполняют многие другие функции.
Даже этот далеко не полный перечень функций, выполняемых полупроводниками, свидетельствует об их важной роли в современной технике.
Полупроводники весьма широко распространены в природе. Это — окислы металлов, сульфиды, теллуриды, селениды, некоторые двойные и многокомпонентные металлические соединения и ряд элементов — углерод, теллур, бор, фосфор, мышьяк, германий, кремний и др.
Свойство полупроводников резко снижать удельное электросопротивление при приложении к ним большой разности потенциалов нашло применение для устройства нелинейных сопротивлений — варисторов.
Свойство полупроводников, называемое униполярной электропроводимостью — пропускание тока в одном направлении, положено в основу выпрямителей переменного тока.
Вентильный фотоэффект — возникновение электродвижущей силы при освещении полупроводника — используется для трансформирования световой энергии в электрическую.
Так называемое явление Пельтье, заключающееся в том, что при пропускании тока сквозь систему из разнородных полупроводников резко снижается температура спая, использовано акад. А.Ф. Иоффе для создания охлаждающих установок.
Некоторые полупроводники обладают способностью люминесцировать. т. е. испускать свет без нагревания до высоких температур.
Особо следует остановиться на термоэлектричестве полупроводников.
Механизм возникновения термоэлектродвужущей силы у полупроводников таков же, как и у металлов. Ho в металлах в широком температурном интервале концентрация электронов остается практически постоянной, при этом их кинетическая энергия в слабой степени зависит от температуры. В полупроводниках как концентрация электронов, так H кинетическая энергия сильно зависят от температуры, что дает возможность получать большую термоэлектродвижущую силу. Уже сейчас получают термоэлементы из полупроводников с коэффициентом полезного действия, равным 8%; это позволяет практически подойти к решению чрезвычайно важной проблемы современности — непосредственному превращению тепловой энергии в электрическую.
Важным свойством многих полупроводников является высокая подвижность электронов. Например, подвижность электронов в n-германии равна примерно 4000 см2/в*сек, в n-кремнии 1200 см2/в*свк, между тем как подвижность электронов в металлах равна всего нескольким сотням квадратных сантиметров за 1 в*сек.
В настоящее время в качестве полупроводников в радиотехнической промышленности применяются главным образом германий и кремний.
По химическим свойствам германий близок к углероду, кремнию и серому олову и имеет кристаллическую решетку типа алмазной.
Удельная электропроводность германия колеблется в очень широких пределах — от 1000 до 0,01 ом-1*см-1 в зависимости от количества примесей посторонних атомов, введенных в кристаллическую решетку германия.
Влияние примесей на электрические свойства германия и кремния настолько велики, что уже один атом примеси на 10в8 атомов германия или кремния изменяет электропроводность, а следовательно, и электрические свойства. Этим пользуются для получения германия с заданными свойствами.
Влияние многих примесей на химические и электронные свойства германия еще полностью не выяснено, но известно, что элементы III и V групп периодической системы элементов Д.И. Менделеева имеют большую растворимость, малые коэффициенты диффузии и очень сильно влияют на электропроводность германия.
Интересно отметить, что роль примесей в некоторых полупроводниках выполняют не только атомы посторонних веществ, но и атомы, образующие то или иное полупроводниковое соединение.
Германиевые и кремниевые полупроводники применяются в виде монокристаллов, выращивание которых — довольно сложная и трудоемкая операция.
В настоящее время для получения монокристаллов из полупроводниковых материалов применяют три метода: вертикальное вытягивание из расплава с помощью ориентированного монокристаллического зaродыша; горизонтальную зонную плавку с затравкой и вертикальное бестигельное зонное вытягивание.
Для получения технически применимых полупроводников требуются исходные материалы очень высокой чистоты, для чего эти материалы подвергают тщательной химической очистке. Полученные полупроводниковые материалы дополнительно очищают дистилляцией, сублимацией, фракционной дистилляцией и зонной плавкой.
Германиевые полупроводники (диоды) имеют весьма существенный недостаток — не обладают достаточной чувствительностью при детектировании слабых сигналов и очень чувствительны к изменению температуры; кремниевые полупроводники в известной мере лишены этих недостатков.
В последнее время выяснилось, что стекло, содержащее германий, хорошо пропускает инфракрасные лучи и поглощает ультрафиолетовые, что используется в спектральной технике и во многих оптических контрольно-измерительных приборах.

Типы полупроводников — CoderLessons.com

При подаче напряжения на полупроводниковые устройства ток электронов течет к положительной стороне источника, а ток дырок течет к отрицательной стороне источника. Такая ситуация возникает только в полупроводниковом материале.

Кремний и германий являются наиболее распространенными полупроводниковыми материалами. Как правило, проводимость полупроводника лежит между проводимостью металлов и изоляторов.

Германий как полупроводник

Ниже приведены некоторые важные моменты о германии —

• На внешней орбите германия находятся четыре электрона. В связях атомы показаны только с их внешними электронами.

• Атомы германия будут разделять валентные электроны в ковалентной связи. Это показано на следующем рисунке. Германий — это те, которые связаны с ковалентной связью. Кристаллическая форма германия называется кристаллической решеткой. Этот тип структуры имеет атомы, расположенные таким образом, как показано на следующем рисунке.

• При таком расположении электроны находятся в очень стабильном состоянии и, таким образом, являются менее подходящими для связи с проводниками. В чистом виде германий является изолирующим материалом и называется внутренним полупроводником .

На внешней орбите германия находятся четыре электрона. В связях атомы показаны только с их внешними электронами.

Атомы германия будут разделять валентные электроны в ковалентной связи. Это показано на следующем рисунке. Германий — это те, которые связаны с ковалентной связью. Кристаллическая форма германия называется кристаллической решеткой. Этот тип структуры имеет атомы, расположенные таким образом, как показано на следующем рисунке.

При таком расположении электроны находятся в очень стабильном состоянии и, таким образом, являются менее подходящими для связи с проводниками. В чистом виде германий является изолирующим материалом и называется внутренним полупроводником .

На следующем рисунке показаны атомные структуры кремния и германия.

Кремний как полупроводник

Полупроводниковые приборы также используют кремний в производстве различных электронных компонентов. Атомная структура кремния и германия показана на рисунке выше. Структура кристаллической решетки кремния аналогична структуре германия.

Ниже приведены некоторые важные моменты, касающиеся кремния.

• Он имеет четыре электрона в своей внешней оболочке, такой как германий.

• В чистом виде он не используется в качестве полупроводникового устройства.

• Желаемое количество проводимости может быть получено путем сложения примесей.

• Добавление примесей должно осуществляться осторожно и в контролируемой среде.

• В зависимости от типа добавляемой примеси, она будет создавать избыток или дефицит электронов.

Он имеет четыре электрона в своей внешней оболочке, такой как германий.

В чистом виде он не используется в качестве полупроводникового устройства.

Желаемое количество проводимости может быть получено путем сложения примесей.

Добавление примесей должно осуществляться осторожно и в контролируемой среде.

В зависимости от типа добавляемой примеси, она будет создавать избыток или дефицит электронов.

На следующем рисунке показан собственный кристалл кремния.

Германий

Химический элемент 14-й группы 4 периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 32. Обозначается символом Ge. Простое вещество германий — типичный полупроводник серо-белого цвета, с металлическим блеском.

Металл германий относится к группе типичных полупроводников, что во многом определило его сферу использования. Обозначения Germanium или Ge можно встретить в большинстве книг и научных работ. Вещество серо-белого цвета со стандартным металлическим блеском было получено и описано в 1886 году. Однако 15 годами ранее, его существование с высокой точностью предсказал Менделеев. Удивительно, но до середины 1930-х годов металл германий существовал только на химической таблице, не имея спроса и популярности среди промышленников. В начале 1940-х годов его можно было встретить лишь в диодах и некоторых других электронных компонентах.

Эпоха Ge началась 50-60 годах, затрагивая все развитые страны того времени. Первое производство германия промышленного масштаба у нас было открыто в 1959 году. До этого времени металл закупался в других государствах, что было экономически невыгодно. Спустя 3-5 лет странам СССР удалось полностью отказаться от импортного германия и даже стать новым мировым лидером по его производству. Сегодня получением этого материала занимается сразу несколько отечественных заводов, используя в качестве сырья германиеносные угли.

Металл германий, цена которого приближена к золоту, в природе встречается достаточно редко. В 9 случаях из 10 его находят в составе минералов других материалов, например, вольфрамовых. Данная особенность встала в основу производственного процесса, имеющего второстепенное значение. Во время переработки руды для получения того или иного металла происходит и выделение Germanium. Естественно, данный способ производства германия не единственный. Во времена СССР его выделяли путем переработки золы и пыли, являющихся отходами топлива электростанций.    

Металл германий: свойства

Несмотря на достойные показатели тугоплавкости, германий нельзя сравнивать с вольфрамом или, например, титаном. Вопреки сложившемуся мнению, Ge относится к группе полуметаллов. Он имеет множество недостатков, среди которых высокая цена, аномальная теплоемкость, сравнительно низкая электропроводность, повышенная хрупкость и плохая обрабатываемость. Несмотря на это, германий нашел свою нишу и стал очень востребованным в современном мире. У него есть ряд уникальных свойств: изменять плотность в разных состояниях (твердом и жидком), получать сверхпроводящие способности при понижении температуры, образовывать множество полезных для человечества соединений, придавать устойчивость сплавам к воздействию щелочей, воздуха, кислот и влаги.  

Сфера применения материала

Необходимость купить германий имеет каждое предприятие, занимающееся изготовлением волоконной оптики. Данное направление потребляет самый большой объем от мирового оборота этого металла. Где именно востребован Germanium?

1. В изготовлении различного рода линз, оптических датчиков, инфракрасных камер, насадок для тепловизионного оборудования, систем наведения в военной отрасли, медицинских оптических приборов, биноклей и камер ночного видения, профессиональных прицелов, датчиков чувствительности, инфракрасных противопожарных системах, СКУД и т.д. Во главе данного направления выступает одно важное свойство металла германия – способность пропускать лучи инфракрасного спектра.
2. Для получения оптических элементов повышенной степени преломления, оптического волокна, деталей профессиональных микроскопов, объективов с расширенным полем обзора. Германий, а точнее специальные его соединения, не только обладают превосходными показателями преломления, но и снижают уровень рассеивания.
3. Для использования в лабораторных условиях, в том числе в качестве химических катализаторов. Металл германий, цена которого ежегодно увеличивается из-за повышения спроса на мировом рынке, участвует во многих процессах, позволяя получать огромное количество органических и неорганических соединений.     
4. Около 15% общего товарооборота занимает электронная отрасль (транзисторы, диоды, СВЧ детали и т.д.). Этот металл в монокристаллическом виде является отличным полупроводником. Также германий используется в металлургии, в ювелирном деле, ядерной физике, изготовлении электронных компонентов, работающих в условиях повышенной температуры.              

Группа компаний «Новые Технологии» предлагает купить германий и сплавы с ним в любых объемах и формах. Мы работаем как с полуфабрикатной, так и конечной продукцией, открывая широкие возможности для сотрудничества с производственными предприятиями различной направленности. Стоимость, объем и условия поставки можно узнать у наших менеджеров. Для получения консультации нужно указать контактный телефон в специальной форме нашего сайта или написать письмо в электронном виде!

Германий как полупроводник — свойства и характеристики

Детектор HPGe с криостатом LN2 Источник: canberra.com

В общем, полупроводников — это материалы, неорганические или органические, которые могут контролировать свою проводимость в зависимости от химической структуры, температуры, освещения и присутствия примесей. Название semiconductor происходит от того факта, что эти материалы имеют электрическую проводимость между металлами, такими как медь, золото и т. Д., .и изолятор, такой как стекло. У них энергетическая щель меньше 4 эВ (около 1 эВ). В физике твердого тела эта запрещенная зона представляет собой энергетический диапазон между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников, электроны в полупроводнике должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.

Германий как полупроводник

12 грамм поликристаллического германия. Источник: wikipedia.org Лицензия: CC BY 3.0

Германий — химический элемент с атомным номером 32 , что означает, что в атомной структуре 32 протона и 32 электрона. Химический символ для германия — Ge . Германий — это блестящий, твердый, серовато-белый металлоид в группе углерода, химически подобный своим соседям по группе олова и кремния. Чистый германий — это полупроводник, внешне похожий на элементарный кремний. Германий широко используется для гамма-спектроскопии . В гамма-спектроскопии предпочтение отдается германию из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и это увеличивает вероятность взаимодействия гамма-лучей. Германий больше используется для обнаружения излучения, чем кремний, потому что средняя энергия, необходимая для создания пары электрон-дырка, составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия, что обеспечивает лучшее разрешение по энергии. С другой стороны, германий имеет малую ширину запрещенной зоны (E _gap = 0.67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах.

Полупроводниковые детекторы на основе германия

Рисунок: Заголовок: Сравнение спектров NaI (Tl) и HPGe для кобальта-60. Источник: Радиоизотопы и радиационная методология I, II. Су Хён Бён, Конспект лекций. Университет Макмастера, Канада.

Полупроводниковые детекторы на основе германия чаще всего используются там, где требуется очень хорошее энергетическое разрешение , особенно для гамма-спектроскопии , а также рентгеновской спектроскопии. В гамма-спектроскопии предпочтение отдается германию из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и это увеличивает вероятность взаимодействия гамма-лучей. Кроме того, германий имеет более низкую среднюю энергию, необходимую для создания пары электрон-дырка, которая составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия. Это также обеспечивает лучшую разрешающую способность по энергии. Большой, чистый и почти идеальный германиевый полупроводник идеально подходит в качестве счетчика радиоактивности. Однако получить большие кристаллы с достаточной чистотой сложно и дорого.В то время как кремниевые детекторы не могут быть толще нескольких миллиметров, германий может иметь обедненную чувствительную толщину сантиметров и, следовательно, может использоваться в качестве детектора полного поглощения для гамма-лучей с энергией до нескольких МэВ.

С другой стороны, для достижения максимальной эффективности детекторы должны работать при очень низких температурах жидкого азота (-196 ° C), потому что при комнатных температурах шум, вызванный тепловым возбуждением, очень высок.

Поскольку германиевые детекторы обеспечивают наивысшее разрешение, обычно доступное сегодня, они используются для измерения радиации в различных приложениях, включая мониторинг персонала и окружающей среды на предмет радиоактивного загрязнения, медицинские приложения, радиометрический анализ, ядерную безопасность и безопасность ядерных установок.

Почему кремний и германий являются полупроводниками

И кремний, и германий могут использоваться в качестве собственных полупроводников при изготовлении твердотельных устройств. В Периодической таблице элементов германий (атомный номер 32) занимает позицию непосредственно под кремнием (атомный номер 14).

Периодическая таблица элементов была задумана раньше, но ее потенциал более полно реализовался в творчестве Дмитрия Менделеева, мягко говоря необычного человека.Родившись в глухой деревне в Сибири, он прославился своими открытиями и сочинениями, включая подробные двухтомные «Основы химии» (1868–1870).

Он был трудолюбивым, высокообразованным, со многими достижениями в области химического машиностроения и смежных областях. Как и многие из его времени и места, он был нестабильным гением с бурной внутренней жизнью. Через четырнадцать лет после женитьбы на Феозве Никитичне Леччерия в 1862 году он стал одержим Анной Ивановой Поповой и пригрозил самоубийством, если она не выйдет за него замуж.Уловка удалась, но это событие бросило тень на его жизнь и, вероятно, стало причиной того, что он не получил Нобелевской премии за свою новаторскую Периодическую таблицу.

Горизонтальные строки Периодической таблицы называются периодами, а вертикальные столбцы — группами. Каждая квадратная ячейка имеет символ (например, Fe для железа), обозначающий элемент, а также его атомный номер, который равен количеству протонов в его ядре.

Номер периода — это наивысший уровень энергии невозбужденного электрона.Изучая положение элемента в таблице, можно установить электронную конфигурацию, включая количество оболочек и количество электронов в каждой оболочке, особенно количество электронов в валентной или внешней оболочке. Различные издания Таблицы содержат дополнительную информацию, такую ​​как атомный вес.

Ячейки имеют цветовую кодировку, указывающую на тип элемента, то есть щелочные металлы, щелочноземельные металлы, переходные металлы, постпереходные металлы, металлоиды, лантаноиды, актиниды, неметаллы, галогены и благородные газы.Элементы, расположенные в одном столбце (группе), имеют идентичные валентные популяции. Следовательно, они химически подобны, поскольку это определяет способы, которыми они реагируют с другими элементами.

Поскольку они находятся в одном столбце, мы знаем, что кремний и германий имеют одинаковое количество электронов на внешней или валентной оболочке. Атомы германия имеют на одну оболочку больше, чем атомы кремния, но интересными свойствами полупроводника является то, что оба имеют по четыре электрона в валентной оболочке.

Как следствие, оба материала легко образуют кристаллическую решетку. Замещенные атомы изменяют электрические свойства. Процесс добавления этих атомов известен как легирование. Допирование может происходить путем пропускания газа над кристаллическим материалом, иногда в течение нескольких часов. Если легирующий материал состоит из атомов с пятью валентными электронами, будут дополнительные свободные электроны и будет получен полупроводник n-типа. Если легирующий материал состоит из атомов с тремя валентными электронами, возникает дефицит свободных электронов и получается полупроводник p-типа.

Вместо того, чтобы говорить о недостатке свободных электронов, мы можем сказать, что в полупроводнике имеется избыток дырок. Дырка — это отсутствие электрона. Возможно, это просто вопрос семантики, но это обычная терминология.

Легирующие примеси, которые имеют пять валентных электронов и образуют полупроводники n-типа, — это антиномия, мышьяк и фосфор. Примеси, которые имеют три валентных электрона и образуют полупроводники p-типа, — это бор, алюминий и галлий. Одни и те же легирующие примеси используются как для кремниевых, так и для германиевых полупроводников.

Атомы кремния имеют четыре электрона, которые могут быть связаны ковалентными связями с соседними атомами.

Кремний является основным компонентом обычного песка, и по этой причине он менее дорог, чем другие внутренние полупроводниковые материалы. Но в таких небольших количествах стоимость сырья не всегда имеет решающее значение. Исторически германий использовался в качестве полупроводника до кремния. Радиочастотный детектор с кошачьим усом можно было найти в ранних наборах кристаллов. Но в целом кремний легче обрабатывать, чем германий, он способен выдерживать более высокие уровни мощности, имеет меньшую утечку обратного смещения и более стабилен при более высоких температурах.

Кремний и германий также могут быть превращены в сплав кремний-германий с молекулярной формулой вида Si _{1 − x} Ge _x . Кремний-германий служит полупроводником в интегральных схемах для биполярных транзисторов с гетеропереходом или как слой, вызывающий деформацию, для транзисторов CMOS.

Здесь гетеропереход относится к границе раздела между двумя слоями или областями разнородных кристаллических полупроводников. Два полупроводниковых материала имеют неодинаковую ширину запрещенной зоны.(Если бы их запрещенные зоны были равны, интерфейс был бы гомопереходом.)

SiGe позволяет интегрировать КМОП-логику с биполярными транзисторами с гетеропереходом. Биполярные транзисторы с гетеропереходом имеют более высокое усиление в прямом направлении и более низкое усиление в обратном направлении, чем типичные биполярные транзисторы с гомопереходом, что помогает реализовать лучшие характеристики при работе с низкими токами и высокими частотами. Поскольку это технология гетероперехода с регулируемой шириной запрещенной зоны, SiGe обеспечивает большую настройку ширины запрещенной зоны, чем кремниевая технология.

SiGe-on-insulator (SGOI) аналогичен технологии кремний-на-изоляторе, используемой в компьютерных микросхемах.SGOI увеличивает скорость транзисторов, напрягая кристаллическую решетку под затвором МОП-транзистора, улучшая подвижность электронов и повышая токи возбуждения. SiGe-МОП-транзисторы также могут обеспечивать меньшую утечку на переходах из-за более низкой ширины запрещенной зоны SiGe.

германий | Свойства, использование и факты

Германий (Ge) , химический элемент между кремнием и оловом в группе 14 (IVa) периодической таблицы, серебристо-серый металлоид, промежуточный по свойствам между металлами и неметаллами.Хотя германий не был открыт до 1886 года немецким химиком Клеменсом Винклером, его существование, свойства и положение в периодической системе были предсказаны в 1871 году русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым, который назвал гипотетический элемент экасиликом. (Название германий происходит от латинского слова Germania [Германия] и было дано элементу Винклером.) Германий стал экономически значимым только после 1945 года, когда его свойства как полупроводника были признаны ценными для электроники.Многие другие вещества теперь также используются в качестве полупроводников, но германий по-прежнему играет первостепенную роль в производстве транзисторов и компонентов для таких устройств, как выпрямители и фотоэлементы.

Британская викторина

118 Названия и символы Периодической таблицы викторины

Периодическая таблица Менделеева состоит из 118 элементов.Насколько хорошо вы знаете их символы? В этой викторине вам будут показаны все 118 химических символов, и вам нужно будет выбрать название химического элемента, который представляет каждый из них.

По весу германий является дефицитным, но не очень редким (около 1,5 частей на миллион) элементом земной коры, по содержанию равным бериллию, молибдену и цезию и превосходящим элементы мышьяка, кадмия, сурьмы и Меркурий. В космосе численность германия составляет 50 атомов.5 (на основе Si = 1 × 10 ⁶ ), значение примерно равно значениям для криптона и циркония и лишь немного меньше, чем для селена. Космическое изобилие намного меньше, чем у ряда более тяжелых элементов; например, бром, стронций, олово, барий, ртуть и свинец. Все элементы с более низким ядерным зарядом, чем германий, за исключением бериллия, бора, скандия и галлия, в космическом масштабе более распространены, чем германий. С космической точки зрения германий считается одним из многих элементов, образующихся в результате поглощения нейтронов после начальных процессов горения водорода и гелия и поглощения альфа-частиц.

Германий широко распространен в природе, но слишком реактивен, чтобы образовываться в свободном виде. Первичные минералы включают аргиродит (из которого он был впервые выделен), германит, рениерит и канфилдит, все они редки; только германит и рениерит использовались в качестве коммерческих источников этого элемента. Следы германия обнаруживаются в некоторых цинковых смесях, в сульфидных рудах меди и мышьяка и в углях, последний, возможно, является следствием концентрации этого элемента растениями каменноугольного периода в геологической истории.Известно, что некоторые современные растения концентрируют германий. Как концентраты цинкового процесса, так и зола и дымовая пыль от установок сжигания угля являются коммерческими источниками германия.

При рафинировании германия низкосортные остатки, полученные из его руд, обрабатываются сильной соляной кислотой, и полученный тетрахлорид германия перегоняется, очищается повторной перегонкой и гидролизуется с образованием диоксида германия, который затем восстанавливается водородом до порошкообразная форма металла, который плавится при температуре около 1100 ° C (2000 ° F [в инертной атмосфере]) и отливается в слитки или заготовки.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Элемент скорее хрупкий, чем пластичный; атомы в его кристаллах расположены так же, как и атомы углерода в алмазе. Электрические и полупроводниковые характеристики германия сопоставимы с характеристиками кремния. Он не подвергается воздействию воздуха при комнатной температуре, но окисляется при 600–700 ° C (1100–1300 ° F) и быстро реагирует с галогенами с образованием тетрагалогенидов. Среди кислот только концентрированная азотная или серная кислота или царская водка (смесь азотной и соляной кислот) заметно повреждают германий. Хотя водные растворы каустической соды мало влияют на него, германий быстро растворяется в расплавленном гидроксиде натрия или гидроксиде калия, образуя тем самым соответствующие германаты.

Германий образует стабильные степени окисления +2 и +4, причем соединения последнего более стабильны и многочисленны. Двумя наиболее важными соединениями германия являются диоксид (GeO ₂ ) и тетрахлорид (GeCl ₄ ). Германаты, образующиеся при нагревании диоксида с основными оксидами, включают германат цинка (Zn ₂ GeO ₄ ), используемый в качестве люминофора (вещество, которое излучает свет при возбуждении под действием излучения).Тетрахлорид, уже упомянутый в качестве промежуточного продукта при получении германия из его природных источников, представляет собой летучую бесцветную жидкость, которая замерзает при температуре около -50 ° C (-58 ° F) и кипит при 84 ° C (183,2 ° F).

Для использования в электронных устройствах слитки или заготовки германия требуют дополнительной очистки, которая обычно осуществляется методом зонной очистки. Затем высокочистый германий расплавляется и «легируется» добавлением незначительных количеств мышьяка, галлия или других элементов для получения желаемых электронных характеристик.Наконец, монокристаллы генерируются из расплава при тщательно контролируемых температурах с использованием затравочного кристалла в качестве зародыша. Монокристаллы германия выращиваются в атмосфере азота или гелия из расплавленного материала. Затем они превращаются в полупроводники путем легирования (введения) электронодонорных или акцепторных атомов, либо путем включения примесей в расплав во время роста кристалла, либо путем диффузии примесей в кристалл после того, как он был сформирован.

Соединения германия, в которых германий находится в степени окисления +2, хорошо охарактеризованы как твердые вещества, и в целом они легко окисляются.Элементный германий можно электроосаждать из многих растворов и расплавов его соединений. Интересно, что всего один миллиграмм растворенного германия на литр серьезно мешает электроосаждению цинка.

Помимо применения в электронных устройствах, германий используется как компонент сплавов и люминофоров для люминесцентных ламп. Поскольку германий прозрачен для инфракрасного излучения, он используется в оборудовании, используемом для обнаружения и измерения такого излучения, например в окнах и линзах.Высокий показатель преломления диоксида германия делает его ценным компонентом очков, используемых в оптических устройствах, таких как широкоугольные линзы для фотоаппаратов и объективов микроскопов. Токсикология германия и его соединений плохо изучена.

Пять стабильных изотопов германия встречаются в следующих относительных количествах: германий-70, 20,5%; германий-72 27,4%; германий-73 7,8%; германий-74 36,5%; и германий-76 — 7,8%. Сообщалось о девяти радиоактивных изотопах.

(5130 ° F)

Почему германий возвращается в полупроводниковую промышленность? —

Германий был так популярен еще в послевоенные годы.Это был материал, из которого строились первые транзисторы. Но с тех пор, как был открыт кремний, он стал предпочтительным материалом для микросхем памяти и логики. Благодаря современной передовой технологии производства германиевые пластины возвращаются и теперь считаются конкурентоспособным материалом для изготовления чипов. Он обладает отличной способностью переносить заряд, хорошей химической стабильностью и сильной коррозионной стойкостью. Помимо этих качеств, давайте выясним, почему германий возвращается в полупроводниковую промышленность.

Почему германий возвращается в полупроводниковую промышленность?

Обладает множеством превосходных свойств

Германий обладает множеством прекрасных свойств. Вот почему он используется для производства полупроводниковых устройств, подложек солнечных элементов и инфракрасной оптики.

• Обладает отличной способностью нести заряд
• Хорошая химическая стабильность
• Простота обработки
• Сильная устойчивость к распаду
• Высокий коэффициент преломления
• Превосходная радиационная стойкость
• Равномерное пропускание
• Высокая частота
• Исключительные фотоэлектрические характеристики

Обладает исключительной подвижностью

При комнатной температуре электроны в германии в три раза более подвижны, чем электроны в кремнии.Дыры, присутствующие в германии, также перемещаются примерно в четыре раза быстрее.

Это высокоэффективно

Поскольку электроны и дырки, присутствующие в германиевой пластине, очень подвижны, это идеальный материал для создания схем КМОП. CMOS использует два разных типа транзисторов: pFET и nFET. Чем быстрее электроны и дырки проходят через эти транзисторы, тем лучше могут быть схемы. Также требуется меньшее напряжение для генерации носителей заряда. Это означает, что он потребляет меньше энергии, что делает его очень эффективным.

Ищете пластину из германия?

Пластины из германия обладают прекрасными свойствами. Вот почему он возвращается в полупроводниковую промышленность. Если вы планируете использовать германиевую пластину в одном из своих проектов, не стесняйтесь приобрести их в Wafer World! Предлагаем качественные вафли по разумной цене. Свяжитесь с нами для получения информации!

Германий: от открытия до устройств SiGe (конференция)


Галлер, Э. Германий: от открытия до устройств SiGe . США: Н. П., 2006.
Интернет.


Халлер, Э. Э. Германий: от его открытия до устройств SiGe . Соединенные Штаты.


Галлер, Э. Э. Ср.
«Германий: от открытия до устройств SiGe».Соединенные Штаты. https://www.osti.gov/servlets/purl/922705.

@article {osti_922705,
title = {Германий: от открытия до устройств SiGe},
author = {Haller, E E},
abstractNote = {Германий, элемент № 32, был открыт в 1886 году Клеменсом Винклером. Его первое широкое применение было в виде точечных диодов Шоттки для радиолокационного приема во время Второй мировой войны.Добавление близко расположенного второго контакта привело к созданию первого полупроводникового электронного усилителя - транзистора. Относительно малая запрещенная зона, отсутствие стабильного оксида и большая плотность поверхностных состояний поставили германий на второе место после кремния. Открытие процесса дрейфа лития, сделавшего возможным создание p-i-n-диодов с полностью истощаемыми i-областями толщиной несколько сантиметров, сделало германий новым выдающимся детектором гамма-излучения. Разработка сверхчистого германия позволила получить высокостабильные детекторы, которые остались непревзойденными по своим характеристикам.Были открыты новые акцепторы и доноры, и электрически активная роль водорода была четко установлена ​​за несколько лет до аналогичных открытий в кремнии. Слегка легированный германий нашел применение в качестве детекторов дальнего инфракрасного диапазона, а германий, сильно легированный нейтронной трансмутацией (NTD), используется в термисторных устройствах, работающих при температуре в несколько миллиКельвинов. Недавно германий был заново открыт сообществом кремниевых устройств из-за его превосходной подвижности электронов и дырок и его способности вызывать деформации при легировании кремнием.Германий снова стал основным электронным материалом.},
doi = {},
url = {https://www.osti.gov/biblio/922705},
journal = {},
number =,
объем =,
place = {United States},
год = {2006},
месяц = ​​{6}
}


«История Германии» Эмили Дарби

Германий, открытый в 1886 году Клеменсом Винклером, исторически сыграл важную роль в том, что стало известно как «век полупроводников».Хотя сегодня германий считается ценным полупроводником, когда он был первоначально открыт, он считался слабопроводящим металлом без особого использования. ¹ Сегодня используются превосходные электронные свойства германия, поскольку растет спрос на более быстрые компьютеры, фотоэлектрические элементы с более высокой эффективностью и более чувствительные детекторы.

Ценность германия не была признана до Второй мировой войны, когда возникла потребность в высокочастотных выпрямителях для достижения высокого разрешения радарных приемников. ² Ларк-Горовиц был первым, кто осознал и составил таблицу ценных свойств германия, включая его низкую температуру плавления и относительно высокую стабильность. ¹ В результате точечные выпрямители, использовавшиеся для радиолокационных приемников во время Второй мировой войны, были изготовлены из германия. Экстраполируя разработку выпрямителя на основе германия, J. Bardeen, W.H. Браттейн и У. Шокли изобрели первый германиевый транзистор. Изобретение транзистора изменило возможности электронных устройств; электронные устройства, которые раньше полагались на электронные лампы, теперь могут работать на гораздо более высоких частотах с использованием транзисторов. ² Почти каждое электронное устройство, используемое сегодня, основано на транзисторах, включая компьютеры и телевизоры. Компьютерный чип состоит из миллионов транзисторов, которые переключаются между двумя двоичными состояниями (0 и 1), позволяя компьютеру выполнять операции. Германий сыграл важную роль в разработке первого транзистора, и его полезность в качестве полупроводника была признана.

В конце 1950-х годов возрос интерес к использованию кремния вместо германия из-за его большей ширины запрещенной зоны и существования стабильных оксидов кремния. ¹ Однако, когда использование германия в транзисторах стало устаревать, было разработано новое применение германиевых полупроводников: детекторы гамма-излучения и ИК-излучения. ¹ Интерес к детекторам дальнего ИК-диапазона возник в 1980-х годах для использования в первом космическом телескопе дальнего ИК-диапазона. ¹ НАСА интересовалось детекторами дальнего ИК-диапазона, потому что эта область электромагенетического спектра содержит ценную информацию о звездообразовании, межзвездной пыли, формировании планет и аккреционных дисках вокруг молодых звезд. ¹ Сегодня по-прежнему интерес к инфракрасным детекторам для применения в военном наблюдении, обнаружении и сопровождении целей. ³ Благодаря большому коэффициенту поглощения германия в ближнем ИК-диапазоне, его высокой стабильности и недавнему прогрессу в интеграции германия с кремниевой технологией, германий является многообещающим материалом для обнаружения в ИК-диапазоне. ³

Сегодня, когда современные технологии создания электронных устройств на основе кремния достигли верхних границ с точки зрения эффективности и скорости, в последнее время наблюдается возрождение интереса к использованию германия в транзисторах. ^1,4 Превосходная подвижность электронов и дырок германия, а также его низкая температура плавления стимулировали множество исследований по замене современных устройств на основе кремния на германий. ^1,4 Подвижность электронов и дырок в материале — это скорость, с которой электроны и дырки могут перемещаться через материал. Существует сильная корреляция между подвижностью электронов и дырок в материале, а также эффективностью и скоростью устройства, состоящего из этого материала. ⁴ Вместо того, чтобы продолжать уменьшать размер транзисторов, что исторически было методом повышения производительности, исследователи теперь обращаются к новым материалам для использования в транзисторах.Превосходная подвижность электронов и дырок германия предлагает новые средства, с помощью которых мы можем разрабатывать устройства с более высокими характеристиками. ⁴ В последние годы был достигнут значительный прогресс в замене кремния в транзисторах, фотоэлектрических элементах и ​​ИК-детекторах на германий.

Список литературы

1) Haller, E. E. Mater. Sci. Полуконд. Процесс. 2006, 9, 408-422.
2) Brinkman, W. F .; Haggan, D.E .; Траутман, У. У. Твердотельные схемы, IEEE 1997, 32, 1858-1865.
3) Цзэн, Л.ЧАС.; Wang, M. Z .; Хм.; Nie, B .; Yu, Y.Q .; Wu, C. Y .; Hu, J. G .; Xie, C .; Liang, F. X .; Луо, Л. Б. ACS App. Матер. Интерфейсы 2013, 5, 9362-9366.
4) Meyerson, B.S. Sci. Являюсь. 1994, 207, 62-67.

Что такое полупроводниковый детектор на основе германия

Полупроводниковый детектор на основе германия

Детектор HPGe с криостатом LN2 Источник: canberra.com

Полупроводниковые детекторы на основе германия чаще всего используются там, где требуется очень хорошее энергетическое разрешение , особенно для гамма-спектроскопии , а также рентгеновской спектроскопии.В гамма-спектроскопии предпочтение отдается германию из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и это увеличивает вероятность взаимодействия гамма-лучей. Кроме того, германий имеет более низкую среднюю энергию, необходимую для создания пары электрон-дырка, которая составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия. Это также обеспечивает лучшую разрешающую способность по энергии. Большой, чистый и почти идеальный германиевый полупроводник идеально подходит в качестве счетчика радиоактивности. Однако получить большие кристаллы с достаточной чистотой сложно и дорого.В то время как кремниевые детекторы не могут быть толще нескольких миллиметров, германий может иметь обедненную чувствительную толщину сантиметров и, следовательно, может использоваться в качестве детектора полного поглощения для гамма-лучей с энергией до нескольких МэВ.

С другой стороны, для достижения максимальной эффективности детекторы должны работать при очень низких температурах жидкого азота (-196 ° C), потому что при комнатной температуре шум, вызванный тепловым возбуждением, очень высок.

Поскольку германиевые детекторы обеспечивают наивысшее разрешение, доступное сегодня, они используются для измерения радиации в различных областях, включая мониторинг персонала и окружающей среды на предмет радиоактивного загрязнения, медицинские приложения, радиометрический анализ, ядерную безопасность и безопасность атомных станций.

Детектор германия — Принцип работы

Работа полупроводниковых детекторов резюмируется в следующих пунктах:

• Ионизирующее излучение проникает в чувствительный объем (кристалл германия ) детектора и взаимодействует с полупроводниковым материалом.
• Фотон высокой энергии, проходящий через детектор, ионизирует атомы полупроводника, создавая электронно-дырочные пары. Число электронно-дырочных пар пропорционально энергии излучения полупроводника.В результате некоторое количество электронов переносится из валентной зоны в зону проводимости, и такое же количество дырок создается в валентной зоне.
• Поскольку германий может иметь обедненную чувствительную толщину в сантиметры, они способны поглощать фотонов высокой энергии, всего (до нескольких МэВ).
• Под действием электрического поля электроны и дырки перемещаются к электродам, где они вызывают импульс, который можно измерить во внешней цепи.
• Этот импульс несет информацию об энергии исходного падающего излучения.Количество таких импульсов в единицу времени также дает информацию об интенсивности излучения.

Во всех случаях фотон вкладывает часть своей энергии на своем пути и может полностью поглощаться. Полное поглощение фотона с энергией 1 МэВ производит около 3 x 10 ⁵ электронно-дырочных пар. Это значение незначительно по сравнению с общим количеством свободных носителей в собственном полупроводнике размером 1 см ³ . Частица, проходящая через детектор, ионизирует атомы полупроводника, образуя электронно-дырочные пары.Но в детекторах на основе германия при комнатной температуре преобладает тепловое возбуждение . Это вызвано примесями, неоднородностью кристаллической решетки или легирующей добавкой. Он сильно зависит от щели E _{(расстояние между валентной зоной и зоной проводимости), которая для германия очень мала (Egap = 0,67 эВ). Поскольку тепловое возбуждение приводит к шуму детектора, для некоторых типов полупроводников (например, германия) требуется активное охлаждение.}

Обратите внимание, что образец чистого германия при 20 ° C размером 1 см ³ содержит около 4.2 × 10 ²² атомов, но также содержит около 2,5 × 10 ¹³ свободных электронов и 2,5 × 10 ¹³ дырок, постоянно генерируемых за счет тепловой энергии. Как видно, отношение сигнал / шум (S / N) будет минимальным (сравните его с 3 x 10 ⁵ электронно-дырочными парами). Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает дополнительные 10 ¹⁷ свободных электронов в том же объеме, а электрическая проводимость увеличивается в 10 000 раз. В легированном материале отношение сигнал / шум (S / N) будет еще меньше.Поскольку германий имеет относительно небольшую ширину запрещенной зоны, эти детекторы необходимо охлаждать, чтобы снизить тепловое генерирование носителей заряда (таким образом, обратный ток утечки) до приемлемого уровня. В противном случае шум, вызванный током утечки, нарушает энергетическое разрешение детектора.

Переход с обратным смещением

Полупроводниковый детектор работает намного лучше как детектор излучения, если к переходу прикладывается внешнее напряжение в направлении с обратным смещением .Область истощения будет функционировать как детектор излучения. Улучшение может быть достигнуто за счет использования напряжения обратного смещения P-N перехода для истощения детектора свободных носителей, что является принципом большинства полупроводниковых детекторов. Обратное смещение перехода увеличивает толщину обедненной области, поскольку увеличивается разность потенциалов на переходе. Детекторы из германия имеют p-i-n структуру, в которой собственная (i) область чувствительна к ионизирующему излучению, особенно рентгеновскому и гамма-излучению.При обратном смещении электрическое поле распространяется через собственную или обедненную область. В этом случае отрицательное напряжение прикладывается к стороне p, а положительное — ко второй. Дырки в p-области притягиваются от перехода к p-контакту и аналогично для электронов и n-контакта. Этот заряд, который пропорционален энергии, вложенной в детектор входящим фотоном, преобразуется в импульс напряжения встроенным зарядочувствительным предусилителем.

См. Также: Германиевые детекторы, MIRION Technologies.<доступно по адресу: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Свойства германия

Свойства германия — полупроводниковые детекторы

В природе существует много полупроводников, а другие синтезируются в лабораториях; однако наиболее известными являются кремний (Si) и германий (Ge). Германий имеет следующие свойства:

• 12 грамм поликристаллического германия. Источник: wikipedia.org Лицензия: CC BY 3.0

  Германий — химический элемент с атомным номером 32, что означает 32 протона и 32 электрона в атомной структуре.Химический символ для германия — Ge . Германий — это блестящий, твердый, серовато-белый металлоид в группе углерода, химически подобный своим соседям по группе олова и кремния. Чистый германий — это полупроводник, внешне похожий на элементарный кремний.

• Германий более эффективен для обнаружения излучения, чем кремний, из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и из-за более низкой средней энергии, необходимой для создания пары электрон-дырка, которая равна 3.6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия. Это обеспечивает лучшую разрешающую способность по энергии.
• Полуширина германиевых детекторов является функцией энергии. Для фотона с энергией 1,3 МэВ величина FWHM составляет 2,1 кэВ, что очень мало.
• С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E _gap = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах. При комнатной температуре шум, вызванный тепловым возбуждением, очень высок.
• Средняя энергия для создания электронно-дырочной пары равна 2.9 эВ. Это значение примерно в 10 раз ниже по сравнению с энергией ионизации газов, используемых в пропорциональных камерах, камерах дрейфа и т. Д. И это приводит к массовому созданию носителей заряда.
• Германий имеет высокую плотность 5,323 г / см ³ , что также увеличивает средние потери энергии на единицу длины.
• Детекторы Детекторы механически жесткие, поэтому не требуются специальные опорные конструкции.

Применение германиевых детекторов — гамма-спектроскопия

Как уже было написано, изучение и анализ спектров гамма-лучей для научных и технических целей называется гамма-спектроскопией, а гамма-спектрометры являются инструментами, которые наблюдают и собирают такие данные.Спектрометр гамма-излучения (GRS) представляет собой сложное устройство для измерения распределения энергии гамма-излучения. Для измерения гамма-лучей с энергией выше нескольких сотен кэВ наиболее важны две категории детекторов: неорганических сцинтилляторов как NaI (Tl) и полупроводниковых детекторов . В предыдущих статьях мы описали гамма-спектроскопию с использованием сцинтилляционного детектора, который состоит из подходящего сцинтилляционного кристалла, фотоэлектронного умножителя и схемы для измерения высоты импульсов, создаваемых фотоумножителем.Преимуществами сцинтилляционного счетчика являются его эффективность (большой размер и высокая плотность), а также возможная высокая точность и скорость счета. Из-за высокого атомного номера йода большое количество всех взаимодействий приведет к полному поглощению энергии гамма-излучения, поэтому фото фракция будет высокой. Рисунок: Подпись: Сравнение спектров NaI (Tl) и HPGe для кобальта. 60. Источник: Радиоизотопы и радиационная методология I, II. Су Хён Бён, Конспект лекций. Университет Макмастера, Канада.

Но если требуется идеальное энергетическое разрешение , мы должны использовать детектор на основе германия , такой как детектор HPGe . Полупроводниковые детекторы на основе германия чаще всего используются там, где требуется очень хорошее энергетическое разрешение, особенно для гамма-спектроскопии , а также рентгеновской спектроскопии . В гамма-спектроскопии предпочтение отдается германию из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и это увеличивает вероятность взаимодействия гамма-лучей.Кроме того, германий имеет более низкую среднюю энергию, необходимую для создания пары электрон-дырка, которая составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия.