Co to jest topnienie strefy?

Topienie strefowe to proces oczyszczania kryształów, zwłaszcza tych stosowanych w półprzewodnikach, który wykorzystuje ciepło do wypychania zanieczyszczeń z góry kryształu na dół kryształu. Gdy kryształ jest ogrzewany, zanieczyszczenia są wyciągane na dno kryształu i dno jest odcinane, pozostawiając oczyszczoną próbkę. Istnieją dwa sposoby topienia strefy, przy czym strefa ciepła jest stacjonarna lub ruchoma; oba osiągają podobne wyniki. Rafinacja strefowa to proces przeprowadzania procedury topienia kilka razy, aż do całkowitego oczyszczenia kryształu.

Aby rozpocząć topienie strefy, kryształ umieszcza się w cylindrycznym tyglu, z kryształem zarodka wystającym z góry. Kryształ zaszczepiający jest główną częścią, którą należy oczyścić, chociaż część innych kryształów również zostanie oczyszczona. Następnie przygotowuje się piec z wąską strefą grzewczą w pobliżu środka, a kryształ powoli poddaje się strefie grzewczej.

Istnieją dwie główne metody przeprowadzania procesu topienia strefy. W metodzie Bridgmana strefa gorąca porusza się w kierunku tygla, podczas gdy tygiel jest nieruchomy. Metoda Stockbarger jest odwrotna: tygiel przemieszcza się przez strefę ciepła. Choć kompletne przeciwieństwa, oba robią to samo.

Kiedy kryształ zostaje poddany strefie ciepła, staje się stopiony. Pozwala to na swobodne przemieszczanie się zanieczyszczeń w krysztale i mają tendencję do przemieszczania się w kierunku chłodniejszej części, która nie przechodzi przez strefę ciepła. Aby umożliwić poruszanie się wszystkich zanieczyszczeń, kryształ ogrzewa się bardzo powoli, aż czystość zostanie wciągnięta do podstawy kryształu. Dolna część kryształu jest piłowana, pozostawiając oczyszczony kryształ.

Aby zapewnić pomyślne stopienie strefy, stosuje się proces zwany rafinacją strefy. Jest to to samo, co topienie strefy, ale kryształ jest kilkakrotnie oczyszczany. Robiąc to kilka razy dla tego samego kryształu, pracownicy mogą być pewni, że kryształ jest całkowicie wolny od zanieczyszczeń.

Ten proces oczyszczania odbywa się przede wszystkim w przypadku kryształów używanych jako półprzewodniki, ale można go również stosować w innych zastosowaniach. Półprzewodniki to elementy stosowane w inżynierii, które mają przewodnictwo między przewodnikiem a izolatorem. Jeśli zanieczyszczenia pozostaną w krysztale, zakłócałyby przepływ prądu, powodując, że kryształ byłby zbyt przewodzący lub niewystarczająco przewodzący.