什么是锗材料?

[拼音]：zhecailiao

[外文]：Germanium

重要的半导体材料，化学元素符号Ge，位于元素周期表Ⅳ族，原子序数32，原子量72.60，银灰色脆性金属，有光泽。1871年Д.И.门捷列夫曾预见锗的存在，命名为“类硅”，并推测了它的性质。1886年德国科学家在硫银锗矿物中，发现了这个元素，证实了门捷列夫的预见。并以德国命名此元素 (Germanium)。但在很长时间内未曾找到锗的实际用途，只是湿法炼锌过程中必须除去的有害物质。直到1915年发现锗的整流效应，锗材料才开始得到实际应用。以后锗的纯度不断提高，于1942年用高纯锗制造了耐高压二极管，用于雷达。J.巴丁等人在研究过程中放弃硒，改用锗材料，才使晶体管的发明获得成功。1950年，首次制出锗单晶。1952年发明区域提纯法，有效地进行锗提纯。在50年代，锗是最主要的半导体材料。后来，在半导体器件方面，锗逐渐被硅所取代。但在同时，锗又有了一些新的用途。

锗的密度为5.3267克／厘米3，熔点为937.4


，沸点为3830


， 它结晶为金刚石型立方晶系，晶格常数 ɑ=5.64613埃，每个立方厘米有4.42×1022个原子。锗的禁带宽度0.66电子伏(300K)，本征电阻率47欧·厘米，本征载流子浓度2.4×1013/厘米3(300K)，电子和空穴的迁移率分别为 3900±100和1900±50厘米2/伏·秒。Ⅲ族元素硼、铝、镓、铟、铊在锗中为受主杂质；Ⅴ族元素磷、砷、锑为施主杂质。在室温下，锗的化学性质稳定；在加温的条件下，锗与硫或卤素发生剧烈反应。锗溶于浓盐酸、浓硝酸、含过氧化氢的碱溶液和王水。与熔融碱相作用生成锗酸盐。

虽然锗在地壳中的丰度为7ppm，高于铍和砷，但由于分布分散，属稀散金属。锗的矿物有硫银锗矿(4Ag2S·GeS2)，锗石（7CuS·FeS·GeS），硫锗铁铜矿 ([CUFeGeAs]xSy)等。由这些矿物构成的矿床极为少见。多数情况是这些矿物夹杂于有色金属硫化矿中，或者锗呈同晶型杂质存在于有色金属硫化矿中。因此有色金属硫化矿是回收锗的主要原料。锗常富集于一些煤中，也可以从中回收。中国主要从铅锌矿中回收锗。

半导体锗的生产可分为三个阶段：锗的富集、高纯锗的制备、单晶的制备。除含锗很高的原料可对锗直接富集而得锗精矿外，一般都在有色冶金过程中，通过综合回收使锗得到富集，然后再使锗与有色金属及其他杂质分开，而得到锗精矿。从煤中回收锗，一般是在燃烧或气化过程中，将锗富集。从锗精矿或其他锗的富集物中提取锗都采用氯化法，使其变成四氯化锗挥发。冷凝后的四氯化锗经萃取或（和）精馏进行提纯，然后水解成二氧化锗，烘干后的二氧化锗经氢还原得金属锗，再经区域提纯得高纯锗。高纯锗一般能达到本征纯度（即其电离杂质浓度明显地低于锗的室温本征载流子浓度）。制备锗单晶的方法有两种：区域匀平法和直拉法。用前一方法制备的锗单晶纵向电阻率分布均匀，截面积为梯形，成本较低，但位错密度较高；用后一方法制备，晶体完整性好，截面积为圆形。

锗的最大用途是作红外透镜和窗口，可用单晶或多晶。这是利用锗在 1.8～20微米波长范围内有较好的透过率。这方面用量约为其总用量的三分之一以上，而且还会增加。锗器件工作温度低（不能超过75


）、耐压低;不能形成像二氧化硅那种性质的氧化膜，不适合制造集成电路。因此在半导体器件方面，锗的用量不断下降。锗在探测器方面的应用非常重要，但其用量不大。锗呈化合物状态可用于催化剂、光导纤维、荧光粉和医药等。生产锗材料及其化合物的主要国家是比利时、美国、日本、法国、联邦德国、苏联。中国也是锗的生产国之一。