锗 一种优良的半导体材料讲解

锗——一种优良的半导体材料

锗是位于元素周期表(长式)中第4周期第ⅣA族的元素，原子序数为32。它的左边是31号元素镓(金属)，右边是33号元素砷(非金属)，上面是14号元素硅(属非金属，可做半导体材料)，下面是50号元素锡(属金属元素，但金属性较弱)，可见锗处于金属和非金属交界处。如果把锗作为一种金属，实在名不符实，因为它的质地很脆，不像一般金属那样有延展性，不能对它进行加工。它的导电性也差，根本够不上导体的资格，可是它又算不上良好的绝缘体。它介于两者之间，有点导电性又有点绝缘性，所以物理学上称它为半导体。锗的电阻率处于硅和锡之间，锗和硅一样，能够制成整流器，把交流电变为直流电。锗的半导体特性早在1915年就被科学家们发现了，但由于(1)当时无线电技术刚发展，半导体材料仅用做收音机的检波器而已；(2)锗的原料缺乏，提纯困难；(3)锗制成的整流器性能不如电子管，所以锗长期未受重视。到第二次世界大战期间，雷达兴起，电子管已不能满足雷达的要求，人们通过研究发现锗能很好地满足这种要求，然而用锗制得的电子元件性能总不稳定，主要是微粒杂质对半导体的性能影响较大，但随着超纯锗的制得，锗优良的半导体特性就充分显露出来。用锗制成的整流器体积小、重量轻、寿命长、机械稳定性良好。锗所制成的晶体管和二极管，可以小得和米粒差不多，不但电能消耗低而且坚固耐用。从此，锗成为电子工业的重要材料。

锗是如何被人们发现的呢？

1869年，俄国一位年轻的大学教授门捷列夫预言说，必定有化学性质分别和铝、硼、硅相似的尚未发现的3个新元素存在，他把它们称为“类铝”、“类硼”和“类硅”。此后，他又进一步对它们的原子量和密度等性质作了惊人的预测。据他推算，新元素“类硅”的原子量应该是72左右，密度大约是5.5 g/cm3。奇怪，一个元素还没发现，他就能预测它的原子量、密度，他的根据和理由是什么呢？原来他是根据他在1869年所创立的元素周期表来推测的。那时，他正在编化学讲义，他感到为了给学生把已发现的62种元素的性质、化合物叙述得清晰而系统，必须找出它们的内在联系和规律。经过反复研究，他发现如果让元素按照原子量的递增来排队(现在的周期表是按原子核内质子数来编序数的)，把“脾气”即性质相似的元素编成组，列成一个表，那么这个表就会清楚地表示出元素的性质是在随原子量递增而作周期性变化的规律。具体地讲，这个规律在周期表中表现为排列在同一列上的各个元素都具有相似的化学性质，为了不破坏这个规律，他又在表中留下了若干空格。他认为这些空格就预示尚有未发现的新元素存在，新元素的性质可以根据空格在表中的位置来推断。由于在硅的旁边有一个空格，所以他认为与这个空格相应的新元素应该与硅有类似的化学性质，而原子量与密度也可由此推算出来。当时有许多人对此预言持怀疑的态度。1885年，德国化学家芬克勒一次在分析一种含银矿石时，得到了奇怪的化验结果。这个矿石化验所得的成分有银、硫等元素，可是这些成分含量的总和是93.04％，而不是100％。经多次反复化验，仍差约7％。他断定这7％的成分中一定存在一种新元素，而采用对已知元素的分析方法并不能把它检验出来，成了“漏网之鱼”。又继续研究，他终于从该种矿石中提取出这种新元素，并给它起了个名字“锗”。锗的原文是“日耳曼”的意思，以纪念他的祖

国——德国。当时，他所制得的锗数量很少，对锗的化学性质未能作深入详细的研究，就认为锗的性质和锑相似，在周期表中应该位于锑、铋之间。但德国另一化学家认为锗的性质和硅相似，门捷列夫也认为锗可能就是类硅。科学家们的这些异议，促使芬克勒进一步研究锗的性质。1886年，芬克勒测得锗的原子量是72.32，密度是5.35 g/cm3，果然和门捷列夫15年前所预测的几乎完全相符，锗正是类硅！门捷列夫的推测完全正确！

锗是深灰色的金属，锗矿物有硫银锗矿和锗石。锗在自然界分布极广，在多种硫化矿、铜矿、铁矿、泥土、岩石以及泉水中，都有极微量的锗存在。煤中也有锗存在，故也可以从煤的烟灰中提取锗。锗的化学性质比较稳定，稳定性仅次于碳。锗和碳在同一主族，它们的原子的最外层都有4个电子。在常温下，它不但难以和空气或水发生作用，而且也不和一般酸碱发生作用。锗会和氯气发生剧烈反应，生成四氯化锗。四氯化锗是一种无色液体，沸点83℃，故可以用蒸馏的方法来提纯它。四氯化锗能溶解在盐酸中，但和水相遇却会发生作用，生成白色的氧化锗沉淀。氧化锗可以和氢气反应，生成锗和水。人们利用四氯化锗和氧化锗的这些性质，从含锗的矿物和烟灰中提取锗。所以有人讲这是从泥巴和烟灰中取宝，此话一点不假，这些黑乎乎的东西经多次反复提纯，最后锗的纯度可达99.999 999999％，成为电子工业的极为宝贵的原料。为了得到性能更好的半导体器件，人们正在研究锗和硅以外的半导体材料，其中最引人注目的是砷化镓和锑化铟，用砷化镓做成的半导体器件可以在350℃甚至更高一些温度下工作，这是锗和硅望尘莫及的(硅和锗制成的半导体器件最高工作温度都不超过150℃)。当然这些化合物的提纯工作仍需化学工业来解决。

近二三十年来，半导体工业发展很快。全球半导体市场容量大致以每5年翻一番的速度增长，到2012年世界集成电路的产值将达1万亿美元，并将支持6万亿到8万亿美元的电子设备产值、30万亿美元的信息服务业产值，相当于1997年全世界GDP的总和。目前世界上半导体工业规模较大，经济效益较好，产品较多，产值占整个国民生产总值百分比较大的国家和地区主要有美国、日本、我国的台湾省、韩国等。台湾岛被誉为电脑岛。我国的半导体工业也有了长足的进步，建立了具有国际先进水平的超大规模集成电路前工序项目的华虹909工程等一些国有、中外合资及民营的集成电路工程。我们要继续抓住机遇，大力发展我国的半导体工业，跟上时代的步伐，生产更多更好的计算机(微电脑)、彩电、影碟机及其他电子产品，以满足工业、农业、交通、国防、科研、文教卫生及人们日常生活的需要，并适度出口，占领部分国际市场。