Среди других материалов для инфракрасных приложений мы используем германий, хорошо пропускающий в диапазоне от 2 до 15 микрон. В частности, германиевые линзы также благодаря высокому показателю преломления являются очень полезными компонентами для ИК-систем построения изображения, работающих в двух «атмосферных окнах»: 3-5 и 8-12 микрон.
Для изготовления оптических компонентов может использоваться как монокристаллический, так и поликристаллический германий. Мы изготавливаем германиевые линзы и окна для термографии и пирометрии (см. Германиевые окна и линзы для термографии). Также мы изготавливаем компоненты для спектроскопии, такие как АТР-призмы, детекторные окна, ИК-поляризаторы.
Германий является также хорошим материалом для экранирования электромагнитной интерференции (EMI). Специальный его тип (EMI-grade) становится всё более важным для современных военных приложений, где другие сигналы (в миллиметровом и сантиметровом диапазоне) достаточно интенсивны и могут снижать эффективность работы ИК-систем.
Типичное сопротивление для германия EMI-типа 4 Ом×см, но оно зависит от требуемого уровня гашения паразитного сигнала. При использовании германиевых окон с таким сопротивлением уровень этих сигналов может быть существенно понижен, и ИК-системы приобретают хорошую эффективность.
Ниже представлены основные свойства германия, а также графики его пропускания и поглощения.
Физические свойства германия
| Атомный номер |
34 |
| Атомный вес |
72.6 |
| Кристаллическая структура |
Алмазная кубическая |
| Постоянная решётки при 25oC, A |
5.657 |
| Плотность (298 K), г/см3 |
5.323 |
| Атомная плотность, атомов/см3 |
4.42 × 1022 |
| Поверхностное натяжение, жидкая форма при температуре плавления, мН/м |
650 |
Модуль разрыва, МПа
Фунты/Кв.Дюйм (ФКД) |
72.4
1.05×104 |
| Твёрдость по Моссу |
6 |
| Твёрдость по Викерсу, 25 г нагрузки, кг/мм2 |
746 (52 Ом×см) |
| Вязкость разрушения , МПа1/2 |
1.004 (плоскость разлома – 110) |
| Сопротивление тепловому удару, °C |
125 |
| Коэффициент Пуассона , 125-375 K |
0.278 |
| Упругие постоянные, 25°C, см2/дин |
S11 = 9.685 × 10-13
S12 = -2.70 × 10-13
S44 = 14.94 × 10-13 |
| Коэффициенты упругости, 25°C, дин/см2 |
C11 = 13.16 × 1011
C12 = 5.09 × 1011
C44 = 6.69 × 1011 |
| Модуль Юнга, 25°C, дин/см2 |
Y100 = 10.33 × 1011
Y110 = 13.80 × 1011
Y111 = 15.55 × 1011 |
| Модуль сдвига, 25°C, дин/см2 |
M100 = 6.69 × 1011
M100 = 4.1 × 1011
M111 = 4.9 × 1011 |
|
Термические параметры германия
| Температура плавления, oC |
937 |
| Точка кипения, oC |
2830 |
| Удельная теплоёмкость (0-100oC), кал/г×oC |
0.074 |
| Скрытая теплота плавления
кал/моль
Дж/г |
8100
466.5 |
| Скрытая теплота парообразования, Дж/г |
4602 |
| Коэффициент линейного теплового расширения (293K), см/oC |
6.1 × 10-6 |
| Теплоёмкость, 25°C, Дж/(кг×K) |
322 |
|
Рис. 1 Зависимость линейного теплового коэффициента расширения и
теплопроводности германия от температуры.
Электронные свойства германия
| Ширина запрещённой зоны (300 K), эВ |
0.67 |
| Концентрация собственных носителей (300 K), см-6 |
p, n=5.5 × 1026 |
Собственная дрейфовая подвижность (300 K), см2/на:
электронов
дырок |
3800
1820 |
Коэффициент диффузии (300 K ), см2/сек:
электроны
дырки |
101
49 |
| Собственное сопротивление (300 K), Ом×см |
52 |
| Количество собственных электронов ,
см-3 |
2.12 × 1013 |
| 1 Ом×см (n-тип) соответствует, 10 15 /см-3 |
1.1 |
| 1 Ом×см (p-тип) соответствует, 10 15 /см-3 |
2.3 |
|
Химические свойства германия
| Рстворимость |
| В воде при 20°C, г/100см3 |
нерастворим
|
В кислоте
|
растворим |
|
Толщина германиевого окна, требуемая для поддержания разницы давлений с разных сторон окна, может быть рассчитана по следующей формуле:
Thk = √( 1.1 x P x r² x SF/MR),
где:
P = разница давлений (ФКД);
r = неподдерживаемый радиус (мм);
SF = фактор безопасности (от 4 до 6) (предлагаемый диапазон, возможно использование других факторов);
MR = модуль упругости (ФКД).
Например, окно с диаметром 100 мм и неподдерживаемым радиусом 45 мм, использующееся в среде с разницей давлений в 1 атмосферу, должно иметь толщину ~4.0 мм (фактор безопасности 5).
Рис. 2 Типичное пропускание германия оптического качества (толщина образца 2 мм).
Рис. 3 Типичный коэффициент поглощения германия.
Германий имеет низкий коэффициент поглощения инфракрасного излучения в диапазоне длин волн от 2 до 12 микрон. Запрещённая зона германия величиной 0.67эВ является причиной увеличения поглощения в коротковолновом ИК-диапазоне. В дальнем ИК-диапазоне преобладает решёточное (фононное) поглощение.
Рис. 4 Зависимость поглощения германия от температуры на длине волны 10.6 микрон.
При высокой температуре германий оптического качества имеет избыточное поглощение вследствие увеличивающегося количества термически генерированных дырок.
Как это видно из графика, рост поглощения становится существенным при температурах более 45 °C.
Рис. 5 Зависимость поглощения германия от сопротивления.
Поглощение на свободных носителях (электронах и дырках) и решёточное поглощение (фононное) являются причиной поглощения в оптическом ИК-диапазоне. Дырки в германии поглощают больше энергии, чем электроны в этом диапазоне. Для практически электрически нейтрального германия число дырок, помноженное на число электронов, является постоянным. Число дырок может быть уменьшено за счёт увеличения числа электронов путём добавления атомов V группы в германий. Таким образом, уменьшается сопротивление. Избыточное добавление доноров ведёт к избыточной концентрации электронов и повышенному поглощению.
Показатель преломления германия
| λ, микроны |
n( λ ) |
λ, микроны |
n( λ ) |
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.6
11.0
|
4.1079
4.0653
4.0446
4.0255
4.0170
4.0122
4.0092
4.0074
4.0067
4.0061
4.0056
4.0052
4.0048
4.0045 |
11.3
11.5
11.7
11.9
12.0
12.3
12.7
13.0
13.3
14.0
14.1
15.0
15.6
16.0 |
4.0043
4.0042
4.0041
4.0040
4.0039
4.0038
4.0036
4.0035
4.0034
4.0032
4.0031
4.0029
4.0027
4.0026 |
|
Для изготовления оптических компонентов обычно используется материал со следующими параметрами:
| Ориентация |
111 |
| Отклонение от ориентации, угл. град. |
<= 2 |
| Тип проводимости |
n |
| Удельное сопротивление , Ом×см |
5-40 |
| Неоднородность показателя преломления, n |
<= 2 x 10-4 |
| Плотность дислокаций, см-2 |
<= 1 x 104 |
| Пропускание образца толщиной 1 мм, % |
>= 46.8 на 10.6 микрон
> 46.0 от 2.5 до 11 микрон |
| Коэффициент внутреннего рассеяния на 2.5 микрон, % |
<= 5 |
|
Возможно изготовление оптических компонентов различных форм: сферической, эллиптической, прямоугольной, плоскопараллельной, плосковыпуклой/плосковогнутой, менисковой, клиновидной, стержней.
Возможные габаритные размеры: от 2 мм до 250 мм для монокристаллов и до 300 мм для поликристаллов.
Обращаем Ваше внимание на то, что мы не поставляем германий в необработанном виде, а только готовые, полированные компоненты.
