32. Germanium (Ge) - Der vergessene Halbleiter

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0:29 Ordnungszahl 32 chemisches Symbol ge, ein silbergraues, glänzendes Halbmetall, das sich irgendwo zwischen den Metallen und den Nichtmetallen einordnet. Und genau diese Zwischenstellung macht es so besonders. Germanium ist kein Element, das man in der Natur als reines Metall findet, es ist kein Element, das man mit bloßem Auge in der Welt um sich herum erkennt. Und dennoch hat es jahrzehntelang die Entwicklung unserer modernen Technologiewelt geprägt. Es war das Material der ersten Transistoren, der ersten Halbleiterbauteile, die das Zeitalter der Elektronik einläuteten.

1:12 Ohne Germanium gäbe es möglicherweise keinen der Wege, die zur heutigen digitalen Welt geführt haben. Im Jahr 1869 veröffentlichte der russische Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendelejew sein Periodensystem der Elemente. Was dieses System so Revolutionär machte, war nicht nur die Anordnung der damals bekannten Elemente nach ihren Massen und Eigenschaften, es war die Kühnheit, mit der mendelejew Lücken ließ, er erkannte, dass bestimmte Stellen in seinem System noch leer waren. Und er schloss daraus, dass dort noch unbekannte Elemente existieren mussten, die man noch nicht entdeckt hatte. Für eine dieser Lücken, die sich unterhalb von Silicium und oberhalb von Zinn in der vierten Hauptgruppe befand, sagte Mendelejew im Jahr 1871 ein

2:10 Element voraus, das er eka Silicium nannte. Eka ist Sanskrit und bedeutet so viel wie eines dahinter oder eines danach. Mendelejew beschrieb dieses hypothetische Element mit erstaunlicher Präzision. Er sagte voraus, dass es eine Atommasse von etwa 72 haben würde, eine Dichte von ungefähr 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter, dass es ein graues Metall sein würde, das schwer schmelzbar ist und eine Oxidationsstufe von Plus 4 zeigen würde.

2:46 Er beschrieb sogar, welche Verbindungen es eingehen würde und welche Eigenschaften diese Verbindungen hätten. 15 Jahre vergingen dann im Jahr 1886 untersuchte der deutsche Chemiker Clemens Alexander Winkler ein neues Mineral, das in einem Bergwerk im Erzgebirge gefunden worden war, das Mineral hieß Argyrodit, benannt nach dem griechischen Wort für Silber, da es silberhaltig war. Bei der chemischen Analyse des Argyrodits fiel Winkler auf, dass die Summe der prozentualen Anteile der darin enthaltenen Elemente nicht auf 100 kam.

3:27 Es fehlten etwa 7%, 7%, die zu einem bislang unbekannten Element gehören mussten. Winkler arbeitete sorgfältig und systematisch nach aufwendigen chemischen Trennverfahren gelang es ihm schließlich in. Das neue Element zu isolieren. Er maß seine Eigenschaften, bestimmte seine Dichte, seine Schmelztemperatur, seine chemischen Reaktionen.

3:54 Und dann verglich er seine Ergebnisse mit Mendelejews Vorhersagen. Die Übereinstimmung war verblüffend, Mendelejew hatte eine Dichte von 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter vorhergesagt, Winkler maß 5,35. Mendeleyew hatte eine Atommasse von 72 vorhergesagt. Die tatsächliche Atommasse lag bei 72,63 Mendeleyew hatte die Existenz eines Chlorids mit dem Siedepunkt unter 100 Grad Celsius vorhergesagt. Winkler fand ein Tetrachlorid, das bei 83,1 Grad siedete. Es war ein Triumph der Wissenschaft, und Winkler benannte das neue Element zu Ehren seines Heimatlandes Deutschland.

4:44 Germanium Germanium gehört zu den sogenannten seltenen Elementen, was ein bisschen irreführend ist. Die Häufigkeit von Germanium in der Erdkruste beträgt etwa 1,5 Milligramm pro Kilogramm, das ist vergleichbar mit der Häufigkeit von Elementen wie Arsen oder Molybdän. Es ist also nicht extrem selten, aber es kommt praktisch nie in hoher Konzentration vor. Das wichtigste Mineral, das Germanium in nennenswerten Mengen enthält, ist eben jener Agyrodit, in dem Winkler das Element entdeckte, eine Silber Germanium sulfid Verbindung mit der chemischen Formel AG 8 ges sechsten. Aber daneben findet sich Germanium auch in anderen Sulfitmineralien wie Spalerit, dem Haupterz des Zinks, sowie in manchen Kohleflözen.

5:41 Tatsächlich ist Kohle eine wichtige germaniumquelle Pflanzen können Germanium aus dem Boden aufnehmen und über Millionen von Jahren sind diese Pflanzenreste zu Kohle geworden, in der das Germanium konzentriert vorliegt. Bei der Verbrennung von Kohle in Kraftwerken reichert sich Germanium in der Flugasche an und aus dieser Asche lässt sich das Element heute in relevantem Maßstab gewinnen.

6:07 Das ist gleichzeitig ein Gedanke, über den man innehalten kann, ein hightech Element, das in der Flugasche von Kohlekraftwerken steckt, die Welt der Chemie ist voller solcher unerwarteten Verbindungen. Weitere bedeutende Germanium Vorkommen finden sich in Zinkerzen, aus denen Germanium als Nebenprodukt gewonnen wird.

6:31 Die größten Produzenten von Germanium weltweit sind China, Russland und einige andere Länder, China dominiert dabei die globale Produktion mit deutlichem Abstand, ein Umstand, der geopolitische Bedeutung hat, auf die wir später noch zu sprechen kommen. Germanium liegt im Periodensystem in der vierten Hauptgruppe, also in derselben Gruppe wie Kohlenstoff, Silizium, Zinn und Blei.

6:59 Diese Gruppe, die sogenannten Tetrele oder Kohlenstoffgruppe, zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Mitglieder 4 Valenzelektronen besitzen, also 4 Elektronen in der äußersten Schale, die für chemische Bindungen zur Verfügung stehen. 4 Valenzelektronen sind eine Art Gleichgewichtspunkt. Die Elemente dieser Gruppe können sowohl 4 Elektronen abgeben als auch 4 aufnehmen, was ihnen eine besondere Vielseitigkeit verleiht. In der Praxis bilden sie meist kovalente Bindungen, also Bindungen, bei denen Elektronen geteilt werden, anstatt vollständig übertragen zu werden. Germanium hat eine Atommasse von 72,63 Einheiten, die. Es gibt 5 stabile Isotope des Germaniums Germanium, 70, germanium, 72, Germanium, 73,

7:55 germanium, 74 und germanium 76. Das häufigste davon ist Germanium 74 interessanterweise ist Germanium 76 schwach radioaktiv. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von mehr als 10 hoch 22 Jahren durch einen sogenannten doppelten Beta Zerfall. Diese Halbwertszeit ist so astronomisch lang, dass der Zerfall für alle praktischen Zwecke keine Rolle spielt.

8:25 Der Schmelzpunkt von Germanium liegt bei 938,25 Grad Celsius, der Siedepunkt bei 2833 Grad Celsius. Die Dichte beträgt 5,323 Gramm pro Kubikzentimeter. Germanium kristallisiert in der Diamantstruktur, das heißt, jedes Germaniumatom ist von 4 anderen Germaniumatomen umgeben, die in den Ecken eines Tetraeders angeordnet sind, genau wie beim Diamant oder beim Silicium.

9:01 Eine bemerkenswerte physikalische Eigenschaft von Germanium ist sein Verhalten beim Erstarren. Wie Wasser und Silizium dehnt sich Germanium beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand aus. Die meisten Stoffe schrumpfen beim Erstarren, Germanium macht das Gegenteil chemisch ist Germanium in der Oxidationsstufe Plus 4 am stabilsten, es bildet ein dioxid GEO 2.

9:30 Das in verschiedenen Formen auftreten kann und dem Siliziumdioxid Quarzglas chemisch ähnelt. Germanium reagiert bei Raumtemperatur kaum mit Luft oder Wasser, ist also in normaler Umgebung ziemlich beständig bei höheren Temperaturen oxidiert es jedoch. Was ist ein Halbleiter überhaupt? Ein Halbleiter ist ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters wie Kupfer oder Silber und der eines Isolators wie Glas oder Kunststoff liegt.

10:06 Was Halbleiter so besonders macht, ist nicht nur dieser Mittelweg, sondern die Tatsache, dass ihre Leitfähigkeit durch äußere Einflüsse präzise gesteuert werden kann, durch Temperatur, Licht. Elektrische Felder oder durch das gezielte Einbringen von Fremdatomen, das sogenannte Dotieren, lässt sich die Leitfähigkeit eines Halbleiters über viele Größenordnungen hinweg kontrollieren.

10:34 In den 1940er Jahren war Germanium das Halbleitermaterial der Wahl. Die Forscher innen des Bell Telefone Laboratories in den Vereinigten Staaten, darunter William Schockley, John Bardeen und Walter Brattaine, verwendeten Germanium für ihre bahnbrechenden Experimente. Am 23. Dezember 1947 einem Datum, das man ruhig als einen der bedeutendsten Tage der Technikgeschichte bezeichnen darf, demonstrierten Bardin und Brattain den ersten funktionierenden Transistor.

11:11 Es war ein sogenannter Punkt Kontakttransistor aus Germanium, Unscheinbar klein, und er verstärkte ein elektrisches Signal. Dieser Moment war der Beginn einer neuen Ära der. Schockley Bardeen und Bretton erhielten für ihre Arbeit 1956 den Nobelpreis für Physik. Der Transistor ersetzte die bis dahin verwendeten Vakuumröhren.

11:39 Große, zerbrechliche, energiehungrige Bauteile durch winzige, robuste, energieeffiziente Halbleiterbauelemente und Germanium war das Material dieser Revolution in. In den 1950er Jahren wurden Germanium Transistoren massenhaft produziert. Sie fanden Eingang in Radios, das Transistorradio wurde zum Symbol einer ganzen Generation, sie wurden in frühe Computer verbaut, in Hörgeräte, in militärische Geräte.

12:14 Germanium war für kurze Zeit das wichtigste elektronische Material der Welt, dann kam Silicium. Warum wurde Germanium durch Silicium verdrängt? Die Antwort liegt in ein paar entscheidenden Eigenschaften, bei denen Silicium die Nase vorn hat, erstens Verfügbarkeit Silicium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste nach Sauerstoff, es ist praktisch überall vorhanden, in gewaltigen Mengen als Bestandteil von Sand und Gestein.

12:50 Germanium hingegen ist, wie wir gehört haben, vergleichsweise selten und schwierig zu gewinnen. Das hat direkte Auswirkungen auf den Preis, zweitens thermische Stabilität. Germanium hat eine deutlich niedrigere Bandlücke als Silizium 0,67 elektronenvolt gegenüber 1,12 Elektronenvolt. Die Bandlücke ist die Energiedifferenz, die ein Elektron überwinden muss, um vom Valenzband ins Leitungsband zu springen, also um zur Leitung beizutragen. Eine kleinere Bandlücke bedeutet, dass Germanium schon bei moderaten Temperaturen thermisch instabil wird, thermisch erzeugte Ladungsträger stören die Funktion von Bauelementen, Silizium kann dagegen bei höheren Temperaturen zuverlässig betrieben werden.

13:42 Drittens Oxidation. Silizium bildet beim Erhitzen an der Luft eine stabile, gut haftende Oxidschicht. Siliziumdioxid, die gleichzeitig ein hervorragender Isolator ist und sich hervorragend als Gate Dilektrikum in Transistoren eignet. Das Oxid des Germaniums Geo 2 ist wasserlöslich und damit deutlich weniger praktisch.

14:09 Aus diesen Gründen wurde Germanium in den 1960er und 70er Jahren schrittweise durch Silicium ersetzt. Silicium wurde zum dominierenden Halbleitermaterial und ist es bis heute, aber Germanium verschwand nicht, es fand neue Aufgaben, Nischen, in denen seine besonderen Eigenschaften unverzichtbar sind. Eine dieser Nischen ist die Infrarottechnik. Germanium ist für Infrarotstrahlung transparent, also für Licht, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. Aber Wärme überträgt.

14:48 Normales Glas ist für Infrarot weitgehend undurchlässig, aber Germanium lässt Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen etwa 2 und 14 Mikrometern problemlos passieren. Das macht Germanium zum idealen Material für Linsen und Fenster in Wärmebildkameras und Nachtsichtgeräten. Wer heute eine Wärmebildkamera betrachtet, schaut mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Germaniumlinse eine weitere wichtige Anwendung findet sich in der Glasfasertechnik.

15:22 Glasfaserkabel, durch die heute ein Großteil des weltweiten Internets fließt, bestehen aus Hochreinem Quarzglas, um die Lichtwellen durch die Fasern zu führen, müssen die Fasern einen Kern haben, in dem das Licht langsamer ist als in der Umgebung. Das wird durch das Dotieren des Kernglases mit kleinen Mengen Germaniumdioxid erreicht, das den Brechungsindex erhöht. Germanium steckt also gewissermaßen im Internet in den Fasern, durch die Daten mit Lichtgeschwindigkeit um den Globus rasen.

15:58 Darüber hinaus wird Germanium in der Katalyse eingesetzt, zum Beispiel bei der Herstellung von Polyethylenterephtalat, kurz PET, jenem Kunststoff, aus dem unter anderem Getränkeflaschen gefertigt werden. Und schließlich gibt es eine Renaissance von Germanium in der Halbleitertechnik, da die Miniaturisierung von Siliziumtransistoren an physikalische Grenzen stößt, suchen Ingenieurinnen und Ingenieure nach wegen, die Leistung weiter zu steigern.

16:33 Germanium Siliziumlegierungen, sogenannte S ige Heterostrukturen, ermöglichen schnellere Transistoren für Hochfrequenzanwendungen. Etwa in Mobilfunknetzwerken und Radargeräten. Die Kombination der Eigenschaften beider Elemente erlaubt Leistungen, die keines der beiden Materialien alleine erreichen würde.

16:58 In der Natur kommt Germanium in Spuren in vielen Pflanzen vor, einige Pflanzen, darunter die Knoblauchpflanze und bestimmte Heilpflanzen aus der traditionellen asiatischen Medizin, enthalten etwas höhere Konzentrationen. In den 1970er und 80er Jahren gab es eine Welle von Begeisterung für organische Germaniumverbindungen, insbesondere für eine Verbindung namens bis Carboxyethyl Germanium Sisquioxid, kurz ge 132.

17:32 Es wurde behauptet, diese Verbindung stärke das Immunsystem, wirke gegen Krebs und habe antivirale Eigenschaften. Diese Behauptungen wurden in zahlreichen Ländern für Nahrungsergänzungsmittel genutzt. Die wissenschaftliche Grundlage war dabei erschreckend dünn kontrollierte klinische Studien, die einen echten medizinischen Nutzen von organischen Germaniumverbindungen beim Menschen belegen würden, fehlen bis heute, schlimmer noch anorganische Germaniumverbindungen, also nicht das Gee 132.

18:10 Sondern andere Germaniumsalze haben sich als Nierenschädigend erwiesen. In mehreren dokumentierten Fällen kam es nach dem Konsum von Germaniumhaltigem zu schwerem Nierenversagen, die medizinischen Behörden verschiedener Länder, darunter Japan und Deutschland, haben Germanium in Nahrungsergänzungsmitteln deshalb verboten oder stark eingeschränkt.

18:35 Der biologische Nutzen von Germanium für den menschlichen Körper ist bislang nicht nachgewiesen. Germanium gilt nicht als essentielles Spurenelement, in der Nuklearmedizin hingegen gibt es legitime Anwendungen. Germanium 68 wird als Positronenemitter in der PET Bildgebung eingesetzt, es zerfällt zu Gallium 68, das direkt für die medizinische Bildgebung verwendet wird.

19:06 Germanium, 68 Gallium 68 Generatoren erlauben es auch an Standorten ohne eigenen Teilchenbeschleuniger den wertvollen Tracer Gallium 68 herzustellen. Wie erwähnt, dominiert China die weltweite Germaniumproduktion Schätzungen zufolge produziert China mehr als 60% des weltweit geförderten Germaniums. Die weltweiten Reserven befinden sich ebenfalls zu einem erheblichen Teil in China.

19:42 Das ist kein Problem, solange der internationale Handel reibungslos funktioniert, doch in einer Welt, in der geopolitische Spannungen zunehmen und versorgungsketten als strategische Instrumente eingesetzt werden, ist diese Abhängigkeit eine Schwachstelle. Im Jahr 2023 kündigte China Exportbeschränkungen für Germanium und Gallium an. 2 Elemente, die für moderne Elektronik und Militärtechnologie unverzichtbar sind.

20:13 Diese Ankündigung löste in der Halbleiterindustrie und bei Regierungen weltweit unmittelbare Reaktionen aus, die Preise für Germanium stiegen deutlich, die. Länder und Unternehmen begannen, ihre Lagerbestände aufzustocken und nach alternativen Bezugsquellen zu suchen. Die Europäische Union hat Germanium auf ihre Liste der kritischen Rohstoffe gesetzt, Materialien, deren Versorgung als strategisch wichtig und potenziell gefährdet gilt.

20:46 Die Suche nach neuen Germaniumquellen, nach Recyclingverfahren und nach technologischen Alternativen hat Fahrt aufgenommen. Recycling ist dabei ein wichtiger Ansatz. Germanium, das in Wärmebildkameras, Glasfasern und anderen Produkten steckt, lässt sich zurückgewinnen und wiederverwenden, der Recycling Kreislauf für Germanium ist heute bereits wirtschaftlich attraktiv, aber noch nicht so weit entwickelt, wie er es sein könnte. Hier liegt ein erhebliches Potential. Bevor wir diese Wissensreise abrunden, noch ein Paar die Details, die vielleicht überraschen. Wusstest du, dass Germanium eine der wenigen Substanzen ist, die in festem Zustand dichter sind als in einem bestimmten kristallinen Hochdruckzustand?

21:36 Unter sehr hohem Druck nimmt Germanium andere Kristallstrukturen an, sogenannte Hochdruckphasen, die metallische Leitfähigkeit zeigen. Das heißt, dass man durch Druck aus einem Halbleiter ein Metall machen kann, das ist physikalisch faszinierend und zeigt, wie stark Druck die Eigenschaften von Materialien verändern kann, in. Interessant ist auch, dass Germanium eine extrem reine Form benötigt, um als Halbleiter zuverlässig zu funktionieren. Der Reinheitsgrad von Germanium für elektronische Anwendungen liegt bei 99,9999% oder mehr, also maximal ein Fremdatom auf 1000000 Germaniumatome diesen Reinheitsgrad zu erreichen, ist eine enorme technologische Herausforderung und erfordert aufwändige

22:30 Raffinationsverfahren. Fahren wie die Zonenreinigung und dann ist da noch die Frage, warum das Element nach Deutschland benannt wurde und nicht nach Sachsen oder dem Erzgebirge. Clemens Winkler wollte das Element ursprünglich Neptunium nennen, in Anspielung auf den Planeten Neptun, der einige Jahre zuvor auf Basis mathematischer Berechnungen entdeckt worden war, eine Parallele zur Vorhersage mendeleyevs.

22:59 Doch dieser Name war bereits vergeben worden. Also wählte Winkler Germanium, und damit hat ein unscheinbares Mineral aus dem sächsischen Erzgebirge dem modernen Deutschland einen bleibenden Eintrag im Periodensystem der Elemente hinterlassen. Die Zukunft sieht vielversprechend aus in der Quantentechnologie werden Germaniumbasierte Quantenbits, sogenannte Cubits, intensiv erforscht. Germanium Spin Cubits in dünnen Schichten aus Germanium oder Silicium Germanium zeigen besonders gute Eigenschaften. Sie lassen sich präzise kontrollieren, sind vergleichsweise störungsresistent und lassen sich mit den bewährten Methoden der Halbleiterfertigung herstellen.

23:48 Das könnte Germanium zu einem Schlüsselmaterial der zukünftigen Quantencomputer machen, auch in der Solartechnik spielt Germanium eine Rolle. Hochleistungssolarzellen für die Raumfahrt die sogenannten Multi Junction Solarzellen verwenden Germanium als Substrat, also als Trägermaterial. Diese Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von über 40% weit mehr als die in der terrestrischen Solartechnik üblichen Werte auf Satelliten und Raumsonden, wo Gewicht und Fläche kostbar sind, ist dieser Effizienzgewinn seinen Preis wert. Und in der Photonik der Technik mit Licht, ist Germanium ein aufsteigender Star.

24:35 Germanium Photo Detektoren können Licht im nahen Infrarotbereich sehr effizient erfassen und spielen eine wichtige Rolle in hochgeschwindigkeits Datenkommunikation in Lidar Systemen für autonomes Fahren und in wissenschaftlichen Messgeräten. Manchmal braucht es eine Geschichte wie die des Germaniums, um zu verstehen, wie tief die Naturwissenschaften in unser aller Leben eingebettet sind.

25:03 Ein Element, das vor gut 150 Jahren als mathematische Vorhersage existierte, bevor es je jemand mit Händen berührt hatte. Ein Element, das die ersten Transistoren befeuerte und damit den Grundstein für die digitale Revolution legte. Das war die heutige Folge der Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente über Germanium, das vergessene Halbmetall, das in Stille die Welt mitgestaltet hat. Wenn dir diese Folge gefallen hat, bewerte den Podcast gerne und empfehle ihn weiter und schau doch auch mal in unsere anderen Reihen rein.

25:45 Wissensreise durch die Uhrzeit oder Wissensreise durch die Länder der Erde warten mit ebenso spannenden Themen auf dich. Bis zur nächsten Folge. Bleib neugierig.