Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Хімія Германію, елемента досить рідкісного, подібна до хімії Силіцію. Більшість сполук Германію відповідають ступеню окиснення +4; прикладами можуть бути германій тетрахлорид GeCl4, безбарвна рідина з т. кип. 83 °C, і германій(IV) оксид GeO2 — безбарвна кристалічна речовина, що плавиться за 1086 °C.
Сполуки Германію ще мало використовують. Сам же елемент (металоїд сірого кольору) нині широко застосовують в електронних пристроях.
Електричні властивості монокристала германію (або кремнію) різко змінюються при сплавленні елемента з дуже невеликими кількостями інших елементів. Подібні ефекти, що їх пояснено в наступних розділах, лежать в основі роботи напівпровідникових вузлів, транзисторів та інтегральних схем.
Електропровідність чистого германію за дуже низьких температур наближається до нуля. Кристал германію, подібно до кристала алмазу, має атоми з координаційним числом 4 і по парі електронів на кожен зв'язок. Це можна представити двовимірною схемою
Електрони локалізовані поблизу зв'язків і не можуть вільно пересуватися при накладанні електричного поля. За підвищених температур один електрон може перейти на збуджену орбіталь (наприклад, на 5s-орбіталь), а інший електрон залишиться на зв'язку, там, де мали б перебувати два електрони
Такий електрон, що залишився на зв'язку між двома атомами Германію, кожен з яких має позитивний заряд Ge+·−Ge+, називається діркою. Дірка може робити свій внесок в електропровідність у тому разі, якщо до неї переміститься електрон із найближчого зв'язку внаслідок послідовного пересування
Промотований електрон також робить свій внесок в електропровідність; він рухається в напрямку, протилежному порівняно з діркою.
Кристал германію, що містить певну кількість атомів Арсену (германій із домішкою арсену), має додаткові електрони на збуджених орбіталях, оскільки кожен атом Арсену вкладає не лише чотири електрони, потрібні для утворення тетраедричних зв'язків, а й п'ятий електрон. Такий кристал має вищу електропровідність, ніж чистий германій; це електропровідність n-типу (здійснювана негативними електронами).
Кристал, що містить певну кількість атомів Алюмінію (з яких кожен дає лише три валентні електрони), має для кожного атома Алюмінію дірку в наборі зв'язувальних електронних пар; такий кристал має провідність p-типу (здійснювану позитивними дірками, які, природно, переміщуються в напрямку, протилежному перескоку до них електронів із найближчих зв'язків).
Випрямляч з електронно-дірковим переходом (p—n-переходом) конструюють таким чином, що p- і n-кристали перебувають у контакті між собою (рис. 18.8). Протилежні кінці кристалів з'єднані з металевими пластинами, що править за вводи. При накладанні потенціалу, який спричиняє пересування як дірок, так і електронів у напрямку контакту між кристалами, дірки або електрони легко переходять до відповідних металевих пластин через місце контакту (між кристалами) і забезпечують безперервний електричний струм. Проте якщо потенціал прикласти у зворотному напрямку, то дірки й електрони переміщуватимуться від площини контакту між кристалами (нижня схема рис. 18.8). Нові дірки швидко утворитися не можуть, так само як і електрони не можуть проникати крізь контакт між кристалами, — для цього процесу енергію електрона необхідно підвищити від зв'язувальної орбіталі (для германію від тетраедричної гібридної 4s4p3-орбіталі) до збудженої 5s-орбіталі, а швидкість такого процесу визначається температурою (експоненційний чинник Арреніуса для швидкості реакції; підрозд. 10.4). Унаслідок цього область поблизу контакту між кристалами виявляється без носіїв електрики, і струм припиняється.
Транзистор з n—p—n-переходом можна виготовити, розміщуючи між двома n-кристалами p-кристал і конструюючи вводи таким чином, щоб один накладений потенціал знижував або підвищував надходження носіїв струму для іншого потенціалу. Отже, струм в одному контурі може викликати пропорційний струм в іншому контурі на вищому енергетичному рівні.
Рис. 18.8. Схема випрямляча з p—n-переходом.