1 锗和硅的化学制备

专题14 硅锗及化合物1．(2020届中国人民大学附属中学高三下学期第三次模拟)硅、锗(32Ge，熔点937℃)和镓(31Ga)都是重要的半导体材料，在航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛而重要的应用。

锗与硅是同主族元素。

(1)硅在元素周期表中的位置是________。

(2)硅和锗与氯元素都能形成氯化物RCl4(R代表Si和Ge)，从原子结构角度解释原因_______。

(2)自然界矿石中锗浓度非常低，因此从锗加工废料(含游离态锗)中回收锗是一种非常重要的方法。

如图是一种提取锗的流程：①NaClO 溶液浸取含锗废料中的锗时发生反应的离子方程式为_____；为了加NaClO 溶液浸取含锗废料的速率，可以采取的措施有_____。

②操作1 和操作2 是____。

③GeO2的熔点为1086℃，利用氢气还原GeO2，每生成146kg 的锗放出akJ 的热量，该反应的热化学方程式为_______。

2．(2019届蚌埠市高三第二次教学质量检查)1871年门捷列夫最早预言了类硅元素锗，1886年德国化学家温克勒发现和分离了锗元素，并以其祖国的名字命名为“Ge”。

锗是重要的半导体材料，其有机化合物在治疗癌症方面有着独特的功效。

下图为工业上利用锗锌矿(主要成分GeO2和ZnS)来制备高纯度锗的流程。

已知：1．丹宁是一种有机沉淀剂，可与四价锗络合形成沉淀；2．GeCl4易水解，在浓盐酸中溶解度低。

(1)简述步骤①中提高酸浸效率的措施___________(写两种)。

(2)步骤②操作A 方法是___________。

(3)步骤③中的物质在___________(填仪器名称)中加热。

(4)步骤④不能用稀盐酸，原因可能是___________。

(5)写出步骤⑤的化学方程式___________。

写出步骤⑦的化学方程式___________。

(6)请写出一种证明步骤⑦反应完全的操作方法___________。

锗的制备方法锗是一种重要的半导体材料，广泛应用于电子、光电子和太阳能电池等领域。

本文介绍了几种常见的锗的制备方法，包括锗的提纯、单晶生长和薄膜制备等。

下面是本店铺为大家精心编写的3篇《锗的制备方法》，供大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。

《锗的制备方法》篇1一、锗的提纯锗的提纯主要有以下几种方法:1. 离子交换法：利用锗离子选择性强的阳离子交换树脂，将锗从含有锗的矿物中提取出来。

然后再通过电解法将锗离子还原成锗金属。

2. 气相法：将含有锗的矿物与氢气一起加热，使锗转化为挥发性锗氢化物。

然后将锗氢化物通过冷凝器冷却回收，再通过氢气还原法将锗氢化物还原成锗金属。

3. 湿法冶金法：将含有锗的矿物与硫酸、硝酸等强酸一起加热，使锗转化为水溶性的锗化合物。

然后通过离子交换、电解等方法将锗提取出来。

二、锗单晶生长锗单晶生长主要有以下几种方法:1. 直拉法 (Czochralski 法):将多晶锗加热融化，然后通过一个叫做“晶圆炉”的设备，将熔融的锗液体上升到一个细长的晶圆坩埚中。

在晶圆坩埚中，锗液体会慢慢凝固成晶体，然后慢慢被拉出成长为锗单晶。

2. 悬浮区熔法：将多晶锗加热融化，然后在一个高温高压下，将融化的锗通过一个叫做“悬浮区熔炉”的设备，使其在熔体中形成一个稳定的熔体区域。

在这个熔体区域内，锗原子可以自由移动，形成单晶。

三、锗薄膜制备锗薄膜制备主要有以下几种方法:1. 化学气相沉积法 (CVD 法):将锗前驱体气体引入一个反应室中，通过加热反应室和控制反应条件，使锗前驱体气体在基底表面发生化学反应，形成锗薄膜。

2. 溅射法：将锗靶材放置在真空腔中，通过加热靶材和控制真空腔中的气体压力，使锗靶材上的锗原子被溅射到基底表面，形成锗薄膜。

《锗的制备方法》篇2锗的制备方法主要有以下几种：1. 锗的矿物提取法：锗主要存在于硫化物矿物中，如闪锌矿、方铅矿、辉锑矿等。

将含有锗的矿物原料经过破碎、磨粉、选矿等工艺，得到含锗的精矿。

第一章硅、锗的化学制备㈠比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?答：1.S i HCl3氢还原法:优点: 产量大、质量高、成本低，由于S i HCl3中有一个S i-H键，活泼易分解，沸点低，容易制备、提纯和还原。

缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要杂质。

2.硅烷法：优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。

缺点: 制备过程的安全性要求高。

㈡制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。

㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。

第二章、区熔提纯1.以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有固相和液相。

由图中可知，固相中杂志含量Cs<C L（液相中杂志成分）。

1、这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。

2、在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=C S/C L叫作平衡分凝系数。

3、为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响，把固相杂质浓度C S与熔体内部的杂质浓度C L0的比值定义为*有效分凝系数。

K eff=C S/C L02.推导BPS公式，说明各个物理量的含义并讨论影响分凝系数的因素。

答：*BPS公式推导：书P21~P23式中：K0为平衡分凝系数；K eff为有效分凝系数；f为固液相面的的移动速度；δ为扩散层厚度；D为扩散系数。

影响分凝系数的因素：①当f 远大于D/δ时, fD/δ→+∞,exp(-fD/δ) →0,Keff→1,即固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。

②当f 远小于D/δ时, fD/δ→0,exp(-fD/δ) →1,Keff→K0,分凝效果明显。

③扩散层厚度和扩散系数，D/δ越小，分凝结果越差。

第一章硅和锗的化学制备第章和锗的化学制备§1-1 硅和锗的物理化学性质1、Si和Ge的物理性质Si、Ge——元素周期表中第Ⅳ族元素Si——银白色Ge——灰色二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会体积收缩（锗收缩5.5%，而硅大约收缩10%）55%而硅大约收缩符硅锗性质号单位原子序数Z1432原子量W28.0872.60原子密度 5.22×1022 4.42×1022个/cm3晶体结构金刚石型金刚石型晶格常数a0.54310.5657nm密度d 2.329 5.323g/cm3熔点T1417937℃m沸点T b26002700℃热导率χ 1.570.60W/cm℃W/cm·比热C P0.69500.3140J/g· ℃线热胀系数α 2.33×10 5.75×10cm℃233-6575-6cm·-1性质符号硅锗单位熔化潜热Q 3956534750J/mol 冷凝时膨胀d v+9.0+5.5%介电常数ε11.716.3禁带宽度1153075（0K ）E g 1.1530.75eV (300 K) 1.1060.67eV 电子迁移率13503900/V μn cm 2/V·s 空穴迁移率μP 4801900cm 2/V·s 电子扩散系数D n 34.6100.0cm 2/s 空穴扩散系数D P 12.348.7cm 2/s 本征电阻率p i 2.3×10546.0Ω·cm 本征载流子密度n 1.5×1010 2.4×1013cm -34i 杨氏摸量E1.9×107N/cm 2从硅锗的主要物理性质可以看出：1、硅的禁带宽度比锗大，电阻率比锗大四个数量级，Si 可用做高压器件，且工作温度比锗器件高；器件高2、锗的迁移率比硅大，可做低压大电流和高频器件。

2、Si和Ge的化学性质室温下，硅、锗的化学性质比较稳定，但可与强酸、强碱作用。

直拉单晶硅的制备硅、锗等单晶制备，就是要实现由多晶到单晶的转变，即原子由液相的随机排列直接转变为有序阵列；由不对称结构转变为对称结构。

但这种转变不是整体效应，而是通过固液界面的移动而逐渐完成的。

为实现上述转化过程，多晶硅就要经过由固态到熔融态，然后又由熔融态硅到固态晶体硅的转变。

这就是从熔体硅中生长单晶硅所遵循的途径。

从熔体中生长硅单晶的方法，目前应用最广泛的主要有两种：有坩埚直拉法和无坩埚悬浮区熔法。

在讨论这两种制备方法之前，还应讨论在制备单晶过程中必不可少的一些准备工序。

包括掺杂剂的选择、坩埚的选择、籽晶的制备等，分别介绍如下：一、掺杂在制备硅、锗单晶时，通常要加入一定数量杂质元素（即掺杂）。

加入的杂质元素决定了被掺杂半导体的导电类型、电阻率、少子寿命等电学性能。

掺杂元素的选择必须以掺杂过程方便为准，又能获得良好的电学性能和良好晶体完整性为前提。

1掺杂元素的选择（1）根据导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素制备N型硅、锗单晶，必须选择Ⅴ族元素（如P、As、Sb、Bi）；制备P型硅、锗单晶必须选择Ⅲ族元素（如B、Al、Ga、In、Ti）。

杂质元素在硅、锗晶体中含量的多少决定了硅、锗单晶的电阻率。

电阻率不仅与杂质浓度有关，而且与载流子的迁移率有关。

当杂质浓度较大时，杂质对载流子的散射作用，可使载流子的迁移率大大降低，从而影响材料的导电能力。

考虑到以上因素，从理论上计算了电阻率与杂质浓度的关系曲线，如图9-5所示。

在生产工艺上按电阻率的高低分档。

掺杂有三档：轻掺杂（适用于大功率整流级单晶）、中掺杂（适用于晶体管级单晶）、重掺杂（适用于外延衬底级单晶）。

（2）根据杂质元素在硅、锗中溶解度选择掺杂元素各种杂质元素在硅、锗中溶解度相差颇大。

例如，采用大溶解度的杂质，可以达到重掺杂的目的，又不会使杂质元素在晶体中析出影响晶体性能。

下表列出了常用掺杂元素在硅、锗单晶生长时掺入量的极限，超过了极限量，单晶生长不能进行。

锗是一种晶体硅锗合金材料，由硅、锗、磷等元素组成，具有半导体特性，被广泛应用于电子、光电和半导体领域。

锗提取工艺一般包括以下步骤：
1. 原料准备。

根据化学计量比例混合硅、锗、磷原料，然后将混合物进行破碎、筛分、洗涤等处理，得到粒度均匀的粉末。

2. 碳化炉反应。

将准备好的粉末装入碳化炉，并加入适量的氮气或氩气，使其在高温下进行反应，生成锗单质和碳化硅等产物。

3. 硼掺杂。

将生成的锗单质和碳化硅等材料进行混合，然后在一定条件下加入掺杂剂（如硼），进行掺杂处理。

4. 石墨坩埚熔炼。

将掺杂后的材料装入石墨坩埚中，在高温条件下进行熔炼处理，得到具有晶体结构的锗体。

5. 检测和加工。

对生成的锗体进行检测和测试，检查其性能是否符合要求，并进行裁切和打磨等加工，得到符合规格的锗体材料。

需要注意的是，锗体取工艺要求设备精度高，工艺流程严谨，操作技术熟练，且除尘排放等环保问题也需要得到重视。

半导体材料（复习资料）半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征：（1）电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电势（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史：第一代：20世纪初元素半导体如硅（Si）锗（Ge）；第二代：20世纪50年代化合物半导体如砷化镓（GaAs）铟磷（InP）；第三代：20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）。

第一章：硅和锗的化学制备第一节：硅和锗的物理化学性质１.硅和锗的物理化学性质１）物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽，其晶体硬而脆。

二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩（锗收缩5.5%，而硅收缩大约为10%）。

硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，并且工作温度也比锗高，因此它可以制作高压器件。

但锗的迁移率比硅大，它可做低压大电流和高频器件。

2）化学性质（1）硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。

这些卤化物具有强烈的水解性，在空气中吸水而冒烟，并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。

（2）高温下，化学活性大，与氧，水，卤族(第七族)，卤化氢，碳等很多物质起反应，生成相应的化合物。

注：与酸的反应（对多数酸来说硅比锗更稳定）；与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）。

2.二氧化硅（SiO2）的物理化学性质物理性质：坚硬、脆性、难熔的无色固体，1600℃以上熔化为黏稠液体，冷却后呈玻璃态存在形式：晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。

化学性质：常温下，十分稳定，只与HF、强碱反应3.二氧化锗（GeO2）的物理化学性质物理性质：不溶于水的白色粉末，是以酸性为主的两性氧化物。

两种晶型：正方晶系金红石型，熔点1086℃；六方晶系石英型，熔点为1116℃化学性质：不跟水反应，可溶于浓盐酸生成四氯化锗，也可溶于强碱溶液，生成锗酸盐。