在半導體與光電產業中，有一種元素雖然不像矽一樣廣為人知，卻在歷史與現代應用中都佔有舉足輕重的地位——那就是 鍺(Germanium, Ge)。自 1886 年被發現以來，鍺便以其獨特的 半導體特性、優異的紅外線透光性與高純度可控性，逐步成為電子、光纖通訊、紅外線光學及太陽能電池等關鍵技術的核心材料。本文將帶你深入了解鍺的歷史來源、物理與化學性質、純度規格，以及它在半導體與其他產業中的廣泛應用。

目錄

歷史來源與發現

1869 年，俄國化學家門得列夫在提出《化學元素週期律》時，預測了矽與錫之間應存在一種未知元素，他將其暫名為「擬矽（Ekasilicon）」。直到 1886 年，德國化學家 克萊門斯·溫克勒（Clemens Winkler） 在一種稀有的硫銀鍺礦（Argyrodite）中發現了新元素，並以其祖國「德國」的拉丁文 Germania 為名，正式命名為「Germanium（鍺）」。

隨後，溫克勒製備了多種鍺化合物，進一步驗證了其物理與化學性質，印證了門得列夫的預測，成為元素週期表的重要里程碑。

鍺的介紹

鍺，化學符號 Ge，原子序數 32，是一種灰白色、有金屬光澤的類金屬。它屬於 碳族元素，化學性質與矽、錫相似，具有良好的 電氣性能與光學性能。

鍺是一種重要的 半導體材料，在現代產業中地位舉足輕重，應用於光纖通訊、紅外線光學、太陽能電池、核子探測與電子元件等領域。

物理性質

• 原子量：72.61
• 密度：5.35 g/cm³
• 熔點：938.25℃
• 沸點：2830℃
• 外觀：灰白色固體，質硬但脆
• 折射率：4.0034（適合紅外線光學）
• 熱導率：59.8 W/m·K
• 比熱容：319 J/kg·K
• 楊氏模量：102.7 GPa
• 努氏硬度：780

鍺在凝固時會 體積膨脹，與水、矽等少數物質有相似特性。

化學性質

• 在 250℃ 下會緩慢氧化生成二氧化鍺（GeO₂）。
• 不溶於稀酸與鹼，但可溶於濃硫酸。
• 與熔融的強鹼反應可生成鍺酸鹽（GeO₃²⁻）。
• 常見化合物包括 四氯化鍺（GeCl₄） 與 甲鍺烷（GeH₄）。

其他性質

• 同位素：自然界有 5 種穩定同位素（Ge-70 至 Ge-76）。
• 光學性能：在 1.8 – 12 μm 的紅外線波段具高透光性，適合製作紅外線透鏡。
• 機械性能：硬度高，具有良好的加工穩定性。

純度與規格

鍺的應用依賴其純度，不同產業對雜質含量要求嚴格：

	規格	純度	檢測雜質	雜質總含量	應用範圍
	高純鍺（5N）	99.999%	Al、Ca、Co、Fe、Mg、Ni、Cu、In、Zn、Si、Pb、As	<10ppm	用於一般電子與光學
	超純鍺（6N）	99.9999%	Al、Ca、Co、Fe、Mg、Ni、Cu、In、Zn、Si、Pb、As	<1ppm	用於高精度電子與光纖
	超⾼氧化鍺（7N）	99.9999%	Al、Ca、Co、Fe、Mg、Ni、Cu、In、Zn、Si、Pb、As	<0.1ppm（其他：Cl<200ppm）	特殊應用（Cl<200 ppm）

應用範圍

1. 半導體元件：早期用於電晶體、二極體、整流器，如今仍是紅外探測器與專用電路的重要材料。
2. 光纖通訊：鍺摻雜的光纖核心具有高折射率，可提升光傳輸效率，是現代通訊的關鍵材料。
3. 紅外線光學：由於鍺在紅外線範圍高透光，被廣泛用於紅外線攝影機、熱影像系統與軍事夜視裝置。
4. 太陽能電池：作為 III-V 族化合物半導體（如 GaAs、InGaP）多接面太陽能電池的基板材料，應用於航太領域。
5. 化學催化劑：鍺化合物用於聚合反應，推動塑膠與化工製程。
6. 生物醫學：部分有機鍺化合物被研究於醫學領域。

鍺在半導體的應用

鍺是最早應用於半導體工業的材料之一：

二戰時期：鍺二極體的誕生

1940 年代，科學家發現鍺具備優異的單向導電特性。1941 年，鍺二極體首次被應用於二戰雷達系統中，成功取代真空管，顯著提升了雷達接收效率，奠定了鍺作為半導體材料的基礎地位。

1948 年：第一顆電晶體

1948 年，美國貝爾實驗室製造出第一顆 鍺電晶體，標誌著固態電子時代的開啟。鍺電晶體快速取代真空管，應用於收音機、計算機與各類電子設備，推動了電子工業的革命性發展。

1950–1970 年代：電子工業的主角

在這段時期，鍺被廣泛用於 電晶體、二極體與整流器，成為電子工業的主流材料。全球鍺的年產量也由數百公斤迅速增長至數十公噸，需求大幅攀升。

1970 年代以後：矽的取代

隨著矽材料的提純技術成熟，矽因更低成本與更佳的熱穩定性逐漸取代鍺，成為半導體產業的核心材料。鍺的市場需求因此下降，應用逐漸轉向特殊領域。

現代：重新崛起的高端應用

儘管被矽取代，鍺憑藉獨特優勢，仍在現代半導體中佔有一席之地：

• 矽鍺合金（SiGe）：廣泛應用於射頻元件、高速積體電路與低功耗裝置。
• 光纖通訊：作為摻雜材料，提高光纖核心折射率，提升光訊號傳輸效率。
• 多接面太陽能電池：鍺基板能支撐 III-V 族半導體薄膜，廣泛應用於航太太陽能電池。

隨著高速運算、光電整合與通訊技術的需求增長，鍺再次展現其不可替代的價值。

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