История

Свойства

Применение

Опыты

         Германий

 
    Металлический германий начал применяться в полупроводниковой технике более полусотни лет назад. Первый транзистор был изготовлен именно на основе этого металла. Поскольку для производства полупроводников нужен очень чистый германий (>99.9999% или 6N), были разработаны методы его глубокой очистки. Один из них – зонная плавка.


    На первом фото часть слитка германия, полученная этим методом. Для зонной очистки германий помещают в длинную графитовую форму и с помощью кольцевого нагревателя создают достаточно узкую расплавленную зону (одну или несколько). Эту зону перемещают вдоль слитка с небольшой скоростью (несколько сантиметров в час). При затвердевании германия, в расплаве остается больше примесей, чем в образующемся кристалле, и эти примеси перемещаются вместе с расплавленной зоной к одному из концов слитка. Разумеется, достичь полной очистки от примесей за один проход не удается, поэтому процедуру повторяют несколько раз (делают несколько проходов расплавленой зоны). Концевую часть слитка, которая содержит большую часть примесей, отрезают, а чистый германий используют, например, для выращивания монокристаллов.

 
    На втором фото представлен именно такой кристалл. Он выращен по методу Чохральского. Для выращивания монокристаллов германий плавят в тигле в инертной атмосфере (температура расплава на несколько градусов выше температуры плавления) и окунают в расплав затравку (маленький кусочек кристалла). Эта затравка закреплена на охлаждаемом держателе, который вращается с небольшой скоростью и медленно поднимается. Для лучшего перемешивания расплава, тигель обычно вращается в противоположную сторону. Рост кристалла начинается на границе затравки с расплавом и продолжается по мере подъема держателя. Диаметр кристалла зависит от скорости подъема и степени охлаждения держателя: чем быстрее поднимается держатель и чем меньше он охлаждается, тем толще будет кристалл. Как правило, из-за вращения кристалл не имеет плоских граней, а приобретает округлую форму. На фото можно видеть, что это именно целый кристалл, а не его часть – поскольку нижняя грань не имеет следов отреза.

 
    И еще один монокристалл. На этот раз цилиндрической формы и с более ровной поверхностью. Судя по размеру, кристалл предназначен для изготовления пластин ("вафель") диаметром 1 дюйм. К сожалению, я затрудняюсь сказать, каким именно методом был выращен этот кристалл. Скорее всего, это опять же метод Чохральского, но так жевозможно, что использовалась бестигельная плавка (метод плавающей зоны).

 
    На этой фотографии - затравка, которую используют для вытягивания монокристаллов по методу Чохральского. На одном конце видно выступ, которым она крепится к вытягивающему устройству (crystal puller).

 
    Для исследований, кристалл, как правило, нарезают на небольшие образцы. На третьем фото такая “нарезка”. Обычно кристалл разрезают вдоль какого-то определенного кристаллографического направления, например (111) или (010).

 
    Еще одно свойство германия – прозрачность для ИК-лучей, поэтому из него делают линзы и другие детали ИК оптики. На фото – германиевая линза. Она не прозрачна для видимого излучения, но в среднем ИК через неё можно смотреть как через стекло.

 
    При нагревании на воздухе германий окисляется, но в вакууме его можно легко переплавить. Некоторое количество обломков от “нарезки” я сплавил в вакуумной печке в лодочке из графита. На слитке не видно усадочной раковины, характерной для большинства металлов, а есть наоборот, некоторая выпуклость. Это от того, что германий расширяется при затвердевании (как и галлий с висмутом).

 
    А вот и те самые "вафли", которые нарезают из кристалла на фото выше. Хотя на самом деле именно для вафель они выглядят несколько толстыми. В серийном производстве делать пластины такой толщины скорее всего будет невыгодно, поскольку из одного и того же кристалла их получится гораздо меньше, чем тонких. Хотя может быть какие-то экспериментальные...
    Пластины германия имеют точно такую же форму и полированную поверхность, как и «вафли» из кремния с этой фотографии. Я сфотографировал пластины при одинаковом освещении, и можно легко сравнить цвета этих двух элементов.

 
    Существуют различные типы детекторов радиации. Поначалу, для оценки мощности излучения использовались фотопластинки (степень засветки пропорциональна количеству поглощенной радиации). Затем электроскопы (чем быстрее электроскоп разряжался, тем сильнее излучение). Потом появились сцинцилляционные датчики и счетчики Гейгера-Мюллера.
    Счетчик Гейгера представляет из себя трубку, заполненную разреженным газом (обычно аргоном), с двумя электродами, на которые подано высокое напряжение. Как только внутрь счетчика попадает, например, гамма излучение, оно ионизирует газ, и через электроды проходит импульс тока. Поскольку разреженный газ поглощает различные виды излучения довольно плохо, эффективность таких счетчиков составляет всего 1-2%.
    В отличие от газовых счетчиков, полупроводниковые детекторы имеют гораздо большую эффективность. Одним из детекторов такого типа является детектор из сверхчистого германия (ОЧГ-детектор, или HPGe-детектор). Ионизирующие излучения вызывают в особо чистом германии образование пар электрон-дырка, а приложенное к кристаллу высокое напряжение позволяет эффективно собирать их на электродах и формировать сигнал на выходе. По сути, кристалл работает как ионизационная камера, только вероятность ионизации в нем намного выше. Чтобы электроны и дырки не поглощались примесями, чистота германия должна быть очень высокой. Также, кристалл должен быть охлажден до низкой температуры, иначе электроны будут легко пересекать запрещенную зону полупроводника, попадать взону проводимости и очень сильно увеличивать тепловой шум детектора. Более того, некоторые типы детекторов (в частности, допированные ионами лития, lithium drift detectors, на фотографии) нельзя нагревать до комнатной температуры даже в процессе транспортировки, иначе они испортятся. В общем, все эти сложности приводят к тому, что германиевый детектор имеет очень высокую эффективность, превосходное разрешение по энергиям, но получается чрезвычайно дорогим. Даже в сломанном виде он содержит монокристалл особо чистого германия весом в 300-500 грамм (больше полутысячи долларов, по цене германиевого лома), а стоимость нового детектора может превышать $100'000. .

 
   Рыночная цена на германий меняется довольно сильно. В 1997 году она составляла примерно 3000 долларов за килограмм (для германия полупроводниковой чистоты), в 2003 году килограмм стоил всего 380 долларов, а в 2005 году его цена выросла до 610 долларов. Текущая рыночная цена за килограмм германия высвечивается в верхнем правом углу страницы.

    Здесь можно скачать отсканированную статью об открытии германия, Клеменса Винклера (но она, естественно, на немецком языке ;).