क्षेत्र गलन

Crystallization
Fundamentals
Crystal · Crystal structure · Nucleation
Concepts
Crystallization · Crystal growth Recrystallization · Seed crystal Protocrystalline · Single crystal
Methods and technology
Boules Bridgman–Stockbarger method Van Arkel–de Boer process Czochralski method Epitaxy · Flux method Fractional crystallization Fractional freezing Hydrothermal synthesis Kyropoulos method Laser-heated pedestal growth Micro-pulling-down Shaping processes in crystal growth Skull crucible Verneuil method Zone melting

(left) Pfann, at left, showing the first zone refining tube, Bell Labs, 1953
(right) Vertical zone refining, 1961. The induction heating coil melts a section of the metal bar in the tube. The coil moves slowly down the tube, moving the molten zone to the end of the bar.

जोन पिघलना व क्रिस्टल को शुद्ध करने के समान तरीकों का एक समूह है जिसमें क्रिस्टल का एक संकीर्ण क्षेत्र पिघलाया जाता है और यह पिघला हुआ क्षेत्र क्रिस्टल के साथ चलता है पिघले हुए क्षेत्र अशुद्ध ठोस को पिघला देता है और पिंड के माध्यम से चलने पर इसके पीछे शुद्ध पदार्थ जम जाता है। अशुद्धियाँ एकत्र हो जाती हैं और पिंड के एक सिरे पर चली जाती हैं तथा जोन परिष्करण का आविष्कार जॉन डेसमंड बर्नल ने किया था और बेल लैब्स ने ट्रांजिस्टर के निर्माण के लिए शुद्ध सामग्री मुख्य रूप से अर्धचालक तैयार करने की एक विधि के रूप में इसका पहला व्यावसायिक उपयोग जर्मेनियम में किया गया था जिसे प्रति दस अरब अशुद्धियों के एक परमाणु तक परिष्कृत किया गया था लेकिन प्रक्रिया को किसी भी विलायक प्रणाली में विस्तारित किया जा सकता है जिसमें संतुलन पर ठोस और तरल चरणों के बीच एक प्रशंसनीय एकाग्रता का अंतर होता है। इस प्रक्रिया को प्रवाहित जोन प्रक्रिया के रूप में भी जाना जाता है।

प्रारंभिक पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री से सिंगल-क्रिस्टल बर्फ विकसित करने के लिए उपयोग की जाने वाली लंबवत क्षेत्र शोधन प्रक्रिया का आरेख। पिघल में संवहन 4 डिग्री सेल्सियस पर अधिकतम पानी के घनत्व का परिणाम है।

विकास प्रक्रिया की शुरुआत में सिलिकॉन क्रिस्टल

बढ़ते सिलिकॉन क्रिस्टल

फ्लोटिंग-ज़ोन प्रक्रिया (केंद्र में बेलनाकार वस्तु) द्वारा बनाई गई एक उच्च-शुद्धता (नौ (संकेत)) टैंटलम एकल क्रिस्टल

प्रक्रिया विवरण

सिद्धांत यह है कि अलगाव गुणांक k (ठोस चरण में एक अशुद्धता का तरल चरण में अनुपात) आमतौर पर एक से कम होता है। इसलिए, ठोस/तरल सीमा पर, अशुद्धता परमाणु तरल क्षेत्र में फैल जाएंगे। इस प्रकार, भट्ठी के एक पतले खंड के माध्यम से एक क्रिस्टल बाउल (क्रिस्टल) को बहुत धीरे-धीरे पारित करके, जैसे कि किसी भी समय बाउल का केवल एक छोटा सा क्षेत्र पिघलाया जाता है, क्रिस्टल के अंत में अशुद्धियों को अलग किया जाएगा। बचे हुए क्षेत्रों में अशुद्धियों की कमी के कारण जो ठोस हो जाते हैं, यदि क्रिस्टल विकास की एक चुनी हुई दिशा को आरंभ करने के लिए एक [[कटोरा (क्रिस्टल)]] को आधार पर रखा जाता है, तो गुलदस्ता एक पूर्ण एकल क्रिस्टल के रूप में विकसित हो सकता है। जब उच्च शुद्धता की आवश्यकता होती है, जैसे सेमीकंडक्टर उद्योग में, बाउल का अशुद्ध सिरा काट दिया जाता है, और रिफाइनिंग दोहराई जाती है।

ज़ोन रिफाइनिंग में, शेष को शुद्ध करने के लिए, या अशुद्धियों को केंद्रित करने के लिए विलेय को पिंड के एक छोर पर अलग किया जाता है। ज़ोन लेवलिंग में, उद्देश्य शुद्ध सामग्री में समान रूप से विलेय वितरित करना है, जिसे एकल क्रिस्टल के रूप में मांगा जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक ट्रांजिस्टर या डायोड अर्धचालक की तैयारी में, जर्मेनियम का एक पिंड पहले ज़ोन रिफाइनिंग द्वारा शुद्ध किया जाता है। फिर थोड़ी मात्रा में सुरमा पिघले हुए क्षेत्र में रखा जाता है, जिसे शुद्ध जर्मेनियम से गुजारा जाता है। हीटिंग की दर और अन्य चर के उचित विकल्प के साथ, सुरमा को जर्मेनियम के माध्यम से समान रूप से फैलाया जा सकता है। कंप्यूटर चिप्स में उपयोग के लिए सिलिकॉन की तैयारी के लिए भी इस तकनीक का उपयोग किया जाता है।

हीटर

ज़ोन पिघलने के लिए विभिन्न प्रकार के हीटरों का उपयोग किया जा सकता है, उनकी सबसे महत्वपूर्ण विशेषता छोटे पिघले हुए ज़ोन बनाने की क्षमता है जो धीरे-धीरे और समान रूप से पिंड के माध्यम से चलती है। प्रेरण कुंडली ्स, रिंग-घाव प्रतिरोध हीटर, या गैस की लपटें सामान्य तरीके हैं। एक और तरीका यह है कि विद्युत प्रवाह को सीधे पिंड के माध्यम से पारित किया जाए, जबकि यह एक चुंबकीय क्षेत्र में है, परिणामी मैग्नेटोमोटिव बल के साथ द्रव को निलंबित रखने के लिए ध्यान से वजन के बराबर होना चाहिए। उच्च शक्ति वाले हलोजन लैंप या क्सीनन आर्क लैंप का उपयोग करने वाले ऑप्टिकल हीटरों का उपयोग विशेष रूप से इंसुलेटर के उत्पादन के लिए अनुसंधान सुविधाओं में बड़े पैमाने पर किया जाता है, लेकिन उद्योग में उनका उपयोग लैंप की अपेक्षाकृत कम शक्ति से सीमित होता है, जो इस विधि द्वारा उत्पादित क्रिस्टल के आकार को सीमित करता है। . ज़ोन मेल्टिंग को एक बैच उत्पादन के रूप में किया जा सकता है, या इसे लगातार किया जा सकता है, जिसमें एक सिरे पर ताज़ी अशुद्ध सामग्री को लगातार जोड़ा जाता है और दूसरे से शुद्ध सामग्री को हटाया जाता है, साथ ही अशुद्ध ज़ोन के पिघलने को अशुद्धता द्वारा तय की गई दर पर हटाया जाता है। फ़ीड स्टॉक का।

इनडायरेक्ट-हीटिंग फ्लोटिंग ज़ोन मेथड्स एक इंडक्शन-हीटेड टंगस्टन रिंग का उपयोग पिंड को रेडिएटिव रूप से गर्म करने के लिए करते हैं, और तब उपयोगी होते हैं जब पिंड एक उच्च-प्रतिरोधकता सेमीकंडक्टर का होता है, जिस पर क्लासिकल इंडक्शन हीटिंग अप्रभावी होता है।

अशुद्धता एकाग्रता की गणितीय अभिव्यक्ति

जब द्रव क्षेत्र कुछ दूरी से चलता है $dx$, तरल परिवर्तन में अशुद्धियों की संख्या। अशुद्धियों को पिघलने वाले तरल और जमने वाले ठोस में शामिल किया जाता है।

$k_{O}$: अलगाव गुणांक

$L$: क्षेत्र की लंबाई

$C_{O}$: ठोस रॉड की प्रारंभिक समान अशुद्धता एकाग्रता

$C_{L}$: तरल में अशुद्धियों की सांद्रता प्रति लंबाई पिघलती है

$I$: तरल में अशुद्धियों की संख्या

$I_{O}$: ज़ोन में अशुद्धियों की संख्या जब पहली बार तल पर बनती है

$C_{S}$: ठोस छड़ में अशुद्धियों की सांद्रता

आंदोलन के दौरान तरल में अशुद्धियों की संख्या नीचे की अभिव्यक्ति के अनुसार बदलती है $dx$ पिघले हुए क्षेत्र का

$dI=(C_{O}-k_{O}C_{L})\,dx\;$

$C_{L}=I/L\;$

$\int _{0}^{x}dx=\int _{I_{O}}^{I}{\frac {dI}{C_{O}-{\frac {k_{O}I}{L}}}}$

$I_{O}=C_{O}L\;$

$C_{S}=k_{O}I/L\;$

$C_{S}(x)=C_{O}\left(1-(1-k_{O})e^{-{\frac {k_{O}x}{L}}}\right)$

अनुप्रयोग

सौर सेल

सौर कोशिकाओं में फ्लोट जोन प्रसंस्करण विशेष रूप से उपयोगी होता है क्योंकि उगाए गए एकल क्रिस्टल सिलिकॉन में वांछनीय गुण होते हैं। फ्लोट-ज़ोन सिलिकॉन में बल्क चार्ज वाहक का जीवनकाल विभिन्न निर्माण प्रक्रियाओं में सबसे अधिक है। फ्लोट-ज़ोन वाहक जीवनकाल Czochralski विधि के साथ 20–200 माइक्रोसेकंड और कास्ट पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के साथ 1–30 माइक्रोसेकंड की तुलना में लगभग 1000 माइक्रोसेकंड हैं। एक लंबा थोक जीवनकाल सौर कोशिकाओं की दक्षता में काफी वृद्धि करता है।

उच्च प्रतिरोधकता वाले उपकरण

इसका उपयोग फ्लोट-ज़ोन सिलिकॉन-आधारित उच्च-शक्ति अर्धचालक उपकरणों के उत्पादन के लिए किया जाता है।

संबंधित प्रक्रियाएं

ज़ोन रीमेल्टिंग

एक अन्य संबंधित प्रक्रिया ज़ोन रीमेल्टिंग है, जिसमें दो विलेय एक शुद्ध धातु के माध्यम से वितरित किए जाते हैं। अर्धचालकों के निर्माण में यह महत्वपूर्ण है, जहां विपरीत चालकता प्रकार के दो विलेय का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, जर्मेनियम में, समूह V के पेंटावैलेंट तत्व जैसे एंटीमनी और हरताल नकारात्मक (एन-प्रकार) चालन उत्पन्न करते हैं और बोरॉन समूह के त्रिसंयोजक तत्व जैसे एल्यूमीनियम और बोरान सकारात्मक (पी-प्रकार) चालन उत्पन्न करते हैं। इस तरह के एक पिंड के एक हिस्से को पिघलाकर और धीरे-धीरे इसे फिर से जमाकर, पिघले हुए क्षेत्र में विलेय वांछित n-p और p-n जंक्शन बनाने के लिए वितरित हो जाते हैं।

यह भी देखें

• आंशिक ठंड
• फ्रीज आसवन
• वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स)

संदर्भ

• Hermann Schildknecht (1966) Zone Melting, Verlag Chemie.
• Georg Müller (1988) Crystal growth from the melt Springer-Verlag, Science 138 pages ISBN 3-540-18603-4, ISBN 978-3-540-18603-8