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Germanium
Germanium
Le Germanium est un métal dont la découverte a créé une sensation universelle, parce que son existence avait été prévue par Mendeleiev avant qu’on le découvre dans la nature.
Quand Mendeleiev a publié son tableau, en 1869, il a placé dans chaque colonne, des éléments qui avaient une valence égale au numéro de la colonne. Comme il manquait un atome dans la 4ème colonne, il a laissé une case vide qu’il a appelé eka-silicium, ce qui veut dire « après le silicium » en sanscrit, car le silicium est un atome de valence 4. Mendeleiev espérait qu’on découvrirait un jour cet élément quadrivalent.
Le Germanium a été découvert 17 ans plus tard, par l’Allemand Winkler, qui l’a baptisé ainsi en l’honneur de l’Allemagne. Ce nouveau métal a la valence 4 comme le silicium. De plus, ses propriétés chimiques ressemblent à celles du silicium. Par exemple, il forme un oxyde GeO2 infusible comme SiO2, et un chlorure GeCl4, liquide et volatile comme celui de silicium SiCl4. Cette découverte a contribué à assurer la célébrité de Mendeleiev.
Le Germanium est un métal très rare sur Terre. On le trouve en faibles proportions dans un minerai d’argent, l’argyrodite.
Le Germanium est un semi-conducteur. Il est difficile de le préparer pur à 100 %, car il contient toujours des traces infimes de silicium et d’aluminium. Mais on constate que, plus on le purifie, plus il devient isolant. Donc ses propriétés conductrices sont dues à ses impuretés.
Dans le Germanium pur, les 4 électrons de Ge sont engagés dans des liaisons covalentes avec 4 atomes voisins. L’ensemble est isolant, mais reste sensible aux perturbations extérieures. Si un rayon émis par les corps radioactifs traverse un tel cristal, il arrache des électrons sur son passage. Et si un champ électrique est appliqué sur le cristal, ces électrons migrent vers le pôle + et un faible courant s’établit pendant un court instant, qui permet de détecter le passage du rayon. Un tel cristal de Germanium peut donc servir de détecteur de rayonnement gamma émis par les corps radioactifs.
La conduction observée dans le Ge impur diffère selon que l’impureté provient de la 3ème colonne (Ga) ou de la 5ème colonne (As). Si cet atome vient de la 5ème colonne, il possède un électron « de trop » qui est assez libre de se déplacer dans le morceau de métal, et qui assure le passage du courant. Une telle matière est dite « zone n ». Si l’impureté provient de la 3ème colonne, les liaisons interatomiques ne sont pas toutes formées de 2 électrons. On dit qu’il y a des trous positifs dans cette zone dite « zone p ». Si on accole une zone n et une zone p, les électrons ont une tendance naturelle à quitter la zone n et à remplir la zone p. Mais ils ne le peuvent pas spontanément, car les noyaux des impuretés de P ou As les retiennent. Parfois la lumière extérieure suffit pour faire passer les électrons de n vers p, et créer ainsi un petit courant. C’est ce qui se passe dans les piles solaires.
Par contre si on aide ces électrons, en appliquant une faible tension négative (~1 V) sur la zone n, et positive sur la zone p, on crée un courant d’électrons. La jonction n-p est conductrice. Et si on inverse le sens de cette petite tension extérieure, le courant ne passe pas. La jonction p-n est isolante. C’est une diode.