Методичні вказівки - Зонна плавка
МІНОБРНАУКИ Укаїни Державна освітня установа вищої
професійної освіти «Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет
«ЛЕТИ» ім.В.І.Ульянова (Леніна)» (СПбГЕТУ)
Марголін В.І., Скобелєв В.М., Тупик В.А., Фантіков В.С.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ до виконання лабораторної роботи
"Зонна плавка" за курсом "Фізичні основи мікроелектроніки"
Марголін В.І., Скобелєв В.М., Тупик В.А., Фантіков В.С. Зонна плавка. Методичні вказівки для виконання лабораторної роботи. СПб.: Вид-во СПбГЕТУ "ЛЕТИ", 2012.
Містить методичні вказівки до виконання лабораторної роботи "Зонна плавка" за курсом "Фізичні основи мікроелектроніки".
Затверджено редакційно-видавничою радою університету
як методичні вказівки
СПбГЕТУ "ЛЕТИ", 2011
Знайомство з сучасною фізикою, на відміну класичної фізики, викликає природні труднощі сприйняття основних понять та ідей квантової механіки - цього абсолютно нового способу опису стану мікрочастинок і динамічних законів, що керують їх рухом.
1 ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА
2.1 Визначення зонної плавки
Першим важливим застосуванням зонної плавки було очищення германію, що призначався для використання в напівпровідникових тріодах. Незабаром цим способом було налагоджено широке виробництво напівпровідникових тріодів і діодів у всьому світі. Однак зонну плавку можна поширити і на багато інших речовин, фактично на ті речовини, які можна розплавити без розкладання і для яких характерна неоднакова концентрація домішки в розплаві і твердій фазі. Томузонна плавка знаходить повсюдне застосування у дослідженнях та на виробництві для очищення та вирощування кристалів металів, напівпровідникових матеріалів, органічних та неорганічних речовин. В даний час у промислових масштабах зонна плавка охоплює в переважній більшості випадків напівпровідникові матеріали. Однак є чимало випадків випуску у невеликих кількостях металів, очищених шляхом зонного плавлення. У хімічній промисловості застосування зонного плавлення неухильно розширюється.
Поряд з очищенням зонна плавка має й інші важливі сфери застосування. В умовах цього методу необхідна домішка в монокристалі розподіляється вельми рівномірно, а це завдання тривалий час не піддавалася рішенню. Зонна плавка дозволяє здійснювати такі різноманітні процеси, як з'єднання двох твердих речовин,
приготування багатокомпонентних евтектичних сплавів, визначення слідових кількостей домішок, уточнення окремих ділянок діаграм стану. Коротше кажучи, зонна плавка є потужним новим засобом управління розподілом домішок у кристалах [3]. Крім цього зонна плавка все ширше застосовується для вирощування монокристалів, особливо методом плаваючої зони.
Загальне поняття "зонна плавка" охоплює сукупність методів, що дозволяють перерозподіляти розчинні добавки або домішки в кристалічних речовинах. Для всіх цих методів характерне повільне переміщення вузької розплавленої зони через порівняно довгий твердий зразок, у результаті досягається перерозподіл домішок. Якщо правильно вибрати число, ширину та напрямок руху зон, а також вихідний склад зразка, то можна досягти здійснення багатьох корисних, а іноді навіть чудових операцій.
Переміщається по злиткурозплавлена зона має дві поверхні розділу між рідкою і твердою фазами - плавиться і твердне. Здатність зони перерозподіляти домішки обумовлена головним чином тим, що відбувається на поверхні, що твердне. На поверхні, що плавиться, тверда речовина просто плавиться і змішується з вмістом зони, тобто як би завантажується у вирву. На поверхні, що твердне, концентрація домішки в щойно затверділій частині зазвичай відрізняється від її концентрації в рідині. Якщо домішка знижує температуру плавлення розчинника, то її концентрація в затверділій частині буде меншою, ніж у рідкій. Тому домішка відтіснятиметься твердне речовиною і збиратися в рідкій зоні. Якщо ж домішка підвищує температуру плавлення розчинника, то її концентрація в затверділій частині буде більшою, ніж у рідкій, а сама рідина збіднюватиметься домішкою. Таким чином, при переміщенні фронту кристалізації одні домішки відтісняються, інші притягуються (поглинаються).
Ці особливості твердіння розчинів добре відомі. Вони становлять основу процесу розподілу шляхом дробової кристалізації, що застосовується вже сотні років. Вони лежать і в основі зонної плавки. Головна різниця між зонною плавкою і дробовою кристалізацією полягає в тому, що в першому випадку одночасно плавиться не весь матеріал, а тільки його частина. Це технологічне нововведення величезною мірою підвищило ефективність кристалізації як способу поділу, відкривши нові шляхи
її застосування [8].
2.2 Термодинамічний потенціал
Подібно до того, як потенційна енергія в механіці U(x,y,z) характеризує положення точки в просторі координат x,y,z і є функцією положення (стану) точки в просторі. У термодинаміці також вводяться функції станусистеми у відповідному “просторі координат” – термодинамічних параметрів, наприклад, T і