Что такое германий и как его добывают. Применение, запасы, перспективы
Германий: что это, как добывают, где и для чего нужен
К
огда-то германий был основой полупроводниковой промышленности. Первые транзисторы и диоды делались на основе германия, обеспечив переход от ламповых к полупроводниковым устройствам.
Сейчас германий потерял лидерство в этой области, но остался одним из важных и востребованных редкоземельных элементов.
Что такое германий простыми словами
Германий — химический элемент с символом Ge и атомным номером 32. Это блестящий, хрупкий, серовато-белый металлоид из группы углерода, химически схожий с соседями по группе — кремнием и оловом. Германий был открыт в конце XIX века и назван в честь Германии его первооткрывателем Клеменсом Винклером.
Уникальные свойства германия, такие как полупроводниковые характеристики, коэффициент преломления и способность образовывать стабильные оксиды, делают его ценным элементом.
Где применяют германий и для чего он нужен
Германий используется в нескольких ключевых областях благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам, особенно полупроводниковым характеристикам.
Полупроводниковая промышленность
Германий является важнейшим компонентом в полупроводниковой промышленности. Германий был одним из первых материалов, использовавшихся для изготовления транзисторов и диодов на заре ее развития. Его способность действовать как полупроводник — проводить электричество при одних условиях и изолировать при других — сыграла решающую роль в разработке ранних электронных компонентов.
Изначально германий использовался для производства полупроводников шире, чем кремний, но в итоге кремний победил благодаря более широкому диапазону рабочих температур, а также гораздо более низкой цене. Хотя кремний в значительной степени заменил германий, более высокая подвижность электронов германия делает его ценным для специализированных компонентов, где важна высокая скорость работы.
Германий высокой чистоты используется в детекторах гамма-излучения и рентгеновских лучей. Эти детекторы очень чувствительны и используются в ядерной физике, радиологии и астрофизике. Они работают потому, что германий может эффективно преобразовывать гамма-лучи в электроны и «дырки», которые затем могут быть обнаружены в виде электрического сигнала.
Германий используется при создании составных полупроводников. Его соединяют с такими элементами, как кремний (образуя SiGe), галлий (образуя GaGe) и другими, чтобы получить полупроводники с особыми электронными свойствами, которые нужны для высокоскоростных транзисторов и других современных электронных компонентов. Кремний-германиевые сплавы приобретают все большее значение в полупроводниковой промышленности. SiGe сочетает в себе лучшие свойства кремния и германия и используется в высокоскоростных интегральных схемах, особенно в таких приложениях, как беспроводная связь и волоконная оптика. Эти сплавы обеспечивают более высокую скорость и меньшее энергопотребление по сравнению с чисто кремниевыми устройствами.
Германий может использоваться в качестве материала подложки для эпитаксиального выращивания других полупроводников. Например, в некоторых высокоскоростных и оптоэлектронных приложениях на германиевой пластине выращивается тонкий слой другого полупроводникового материала.
Продолжаются исследования по использованию германия в новых полупроводниковых технологиях. Например, германий изучается при разработке транзисторов нового поколения, таких как туннельные полевые транзисторы (TFET) и компоненты квантовых вычислений.
Волоконная оптика
В волоконной оптике германий часто используется в качестве легирующего элемента в сердцевине оптического волокна. Сердечник обычно изготавливается из диоксида кремния, а добавление небольшого количества диоксида германия (GeO2) увеличивает его коэффициент преломления. Это увеличение показателя преломления необходимо для создания условий полного внутреннего отражения, благодаря которому световые сигналы направляются по волокну без значительных потерь.
В одномодовых волокнах, которые используются для передачи данных на большие расстояния и с высокой скоростью, добавление германия позволяет точно контролировать коэффициент преломления сердцевины. Это важно для того, чтобы волокно поддерживало только один режим распространения света, минимизируя помехи и деградацию сигнала на больших расстояниях.
В многомодовых волокнах с градуированным индексом германий используется для создания постепенного изменения показателя преломления от центра волокна к его внешнему краю. Такой профиль с градиентным индексом помогает уменьшить искажение сигнала, поскольку световые лучи, проходящие по разным путям, приходят на другой конец волокна примерно в одно и то же время.