Was ist Germanium als Halbleiter – Eigenschaften – Definition

Halbleiter sind im Allgemeinen anorganische oder organische Materialien, deren Leitfähigkeit von der chemischen Struktur, der Temperatur, der Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen abhängt. Der Name Halbleiter kommt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall wie Kupfer, Gold usw. und einem Isolator wie Glas aufweisen. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsbandwo Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.

Germanium als Halbleiter

Germanium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 32 , das heißt , es gibt 32 Protonen und 32 Elektronen in der Atomstruktur. Das chemische Symbol für Germanium ist Ge . Germanium ist ein glänzendes, hartes, grauweißes Metalloid in der Kohlenstoffgruppe, das chemisch den Gruppennachbarn Zinn und Silizium ähnlich ist. Reines Germanium ist ein Halbleiter mit einem ähnlichen Erscheinungsbild wie elementares Silizium. Germanium wird häufig für die Gammastrahlenspektroskopie verwendet . In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Gammastrahlen erhöht. Germanium wird für die Strahlungsdetektion mehr verwendet als Silizium, da die zur Erzeugung einesDas Elektron-Loch-Paar beträgt 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium, wodurch letztere eine bessere Energieauflösung erhalten. Andererseits hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben.

Germanium-basierte Halbleiterdetektoren

Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die Gammaspektroskopiesowie Röntgenspektroskopie. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Gammastrahlen erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderlich ist: 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letztere auch eine bessere Energieauflösung. Ein großer, sauberer und nahezu perfekter Germaniumhalbleiter ist ideal als Zähler für Radioaktivität. Es ist jedoch schwierig und teuer, große Kristalle mit ausreichender Reinheit herzustellen. Während Detektoren auf Siliziumbasis nicht dicker als ein paar Millimeter sein können, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als Totalabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Andererseits müssen die Detektoren, um eine maximale Effizienz zu erreichen, bei sehr niedrigen Temperaturen von flüssigem Stickstoff (-196 ° C) arbeiten, da bei Raumtemperaturen das durch thermische Anregung verursachte Rauschen sehr hoch ist.

Da Germaniumdetektoren die höchste heute allgemein verfügbare Auflösung erzeugen, werden sie zur Messung von Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich Personal- und Umgebungsüberwachung auf radioaktive Kontamination, medizinische Anwendungen, radiometrische Tests, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken.