Derretimento da zona
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Detalhes do processo
O princípio é que o coeficiente de segregação K (a razão de uma impureza na fase sólida e a fase líquida) é geralmente menor que uma. Portanto, no limite sólido/líquido, os átomos de impureza se difundirão na região líquida. Assim, passando por um bule de cristal através de uma seção fina de forno muito lentamente, de modo que apenas uma pequena região do boule é derretida a qualquer momento, as impurezas serão segregadas no final do cristal. Devido à falta de impurezas nas regiões restantes que se solidificam, o boule pode crescer como um cristal único perfeito se um cristal de semente for colocado na base para iniciar uma direção escolhida do crescimento de cristais. Quando é necessária alta pureza, como na indústria de semicondutores, o extremo impuro do boule é cortado e o refino é repetido. [Citação necessária]
No refino de zona, os solutos são segregados em uma extremidade do lingote, a fim de purificar o restante ou concentrar as impurezas. No nivelamento da zona, o objetivo é distribuir soluto uniformemente por todo o material purificado, que pode ser procurado na forma de um único cristal. Por exemplo, na preparação de um semicondutor de transistor ou diodo, um lingote de germânio é primeiro purificado pelo refino de zona. Em seguida, uma pequena quantidade de antimônio é colocada na zona fundida, que é passada pelo germânio puro. Com a escolha adequada da taxa de aquecimento e outras variáveis, o antimônio pode se espalhar uniformemente pelo germânio. Essa técnica também é usada para a preparação do silício para uso em chips de computador. [Citação necessária]
Aquecedores
Uma variedade de aquecedores pode ser usada para derretimento da zona, com sua característica mais importante sendo a capacidade de formar zonas derretidas curtas que se movem lenta e uniformemente através do lingote. Bobinas de indução, aquecedores de resistência a anéis ou chamas a gás são métodos comuns. Outro método é passar por uma corrente elétrica diretamente através do lingote enquanto está em um campo magnético, com a força magnetomotiva resultante cuidadosamente definida como apenas igual ao peso para manter o líquido suspenso. Aquecedores ópticos usando lâmpadas de halogênio ou xenônio de alta potência são amplamente utilizadas em instalações de pesquisa, particularmente para a produção de isoladores, mas seu uso na indústria é limitado pelo poder relativamente baixo das lâmpadas, o que limita o tamanho dos cristais produzidos por esse método. O derretimento da zona pode ser feito como um processo de lote, ou pode ser feito continuamente, com um novo material impuro sendo continuamente adicionado em uma extremidade e material mais puro sendo removido do outro, com a impura zona derretida sendo removida a qualquer taxa ditada pela impureza do estoque de ração. [Citação necessária]
Os métodos de zona flutuante de aquecimento indiretos usam um anel de tungstênio aquecido por indução para aquecer o lingote radiativamente e são úteis quando o lingote é de um semicondutor de alta resistividade no qual o aquecimento clássico de indução é ineficaz. [Citação necessária]
Expressão matemática da concentração de impureza
Quando a zona líquida se move por uma distância d x {\ displaystyle dx}, o número de impurezas na mudança de líquido. As impurezas são incorporadas no líquido de fusão e no congelamento sólido. [Esclarecimento necessário]
k O {\displaystyle k_{O}}
: segregation coefficient L {\displaystyle L} 
: zone length C O {\displaystyle C_{O}} 
: initial uniform impurity concentration of the solidified rod C L {\displaystyle C_{L}} 
: concentration of impurities in the liquid melt per length I {\displaystyle I} 
: number of impurities in the liquid I O {\displaystyle I_{O}} 
: number of impurities in zone when first formed at bottom C S {\displaystyle C_{S}} 
: concentration of impurities in the solid rodO número de impurezas no líquido muda de acordo com a expressão abaixo durante o movimento d x {\ displaystyle dx} da zona fundida
d I = ( C O − k O C L ) d x {\displaystyle dI=(C_{O}-k_{O}C_{L})\,dx\;}
C L = I / L {\displaystyle C_{L}=I/L\;} 
∫ 0 x d x = ∫ I O I d I C O − k O I L {\displaystyle \int _{0}^{x}dx=\int _{I_{O}}^{I}{\frac {dI}{C_{O}-{\frac {k_{O}I}{L}}}}} 
I O = C O L {\displaystyle I_{O}=C_{O}L\;} 
C S = k O I / L {\displaystyle C_{S}=k_{O}I/L\;} 
C S ( x ) = C O ( 1 − ( 1 − k O ) e − k O x L ) {\displaystyle C_{S}(x)=C_{O}\left(1-(1-k_{O})e^{-{\frac {k_{O}x}{L}}}\right)} 
Formulários
Células solares
Em células solares, o processamento da zona de flutuação é particularmente útil porque o cultivo de silício de cristal único possui propriedades desejáveis. A vida útil da transportadora de carga a granel no silício da zona de flutuação é a mais alta entre vários processos de fabricação. A vida útil da transportadora de zona de flutuação é de cerca de 1000 microssegundos em comparação com 20 a 200 microssegundos com o método Czochralski e 1 a 30 microssegundos com silício policristalino fundido. Uma vida útil mais longa aumenta significativamente a eficiência das células solares. [Citação necessária]
Dispositivos de alta resistividade
É usado para a produção de dispositivos semicondutores de alta potência à base de zona de zona flutuante.
Processos relacionados
Remolição de zona
Outro processo relacionado é a reforma da zona, na qual dois solutos são distribuídos através de um metal puro. Isso é importante na fabricação de semicondutores, onde são utilizados dois solutos do tipo de condutividade oposta. Por exemplo, no germânio, elementos pentavalentes do grupo V, como antimônio e arsênico, produzem condução negativa (N-Type) e os elementos trivalentes do grupo III, como alumínio e boro, produzem condução positiva (do tipo P). Ao derreter uma porção de tal lingote e recorrer-la lentamente, os solutos na região fundido são distribuídos para formar as junções N-P e P-N desejadas. [Citação necessária]