Ky proces mori emrin e shkencëtarit dhe qytetarit të shquar polak të Perandorisë Ruse, Jan Czochralski, i cili e shpiku atë në vitin 1915. Zbulimi ndodhi rastësisht, megjithëse interesi i Czochralskit për kristalet, natyrisht, nuk ishte i rastësishëm, sepse ai studioi gjeologjinë nga afër.
Aplikacion
Ndoshta fusha më e rëndësishme e aplikimit të kësaj metode është industria, veçanërisht industria e rëndë. Në industri, përdoret ende për kristalizimin artificial të metaleve dhe substancave të tjera, gjë që nuk mund të arrihet në asnjë mënyrë tjetër. Në këtë drejtim, metoda ka vërtetuar jo alternativitetin dhe shkathtësinë e saj pothuajse absolute.
Silicon
Silicon monokristaline - mono-Si. Ka edhe një emër tjetër. Silic i rritur me metodën Czochralski - Cz-Si. Ky është silikoni Czochralski. Është materiali kryesor në prodhimin e qarqeve të integruara që përdoren në kompjuterë, televizorë, telefona celularë dhe të gjitha llojet e pajisjeve elektronike dhe pajisjeve gjysmëpërçuese. kristalet e silikonitpërdoren gjithashtu në sasi të mëdha nga industria fotovoltaike për prodhimin e qelizave diellore konvencionale mono-Si. Struktura kristalore pothuajse perfekte i jep silikonit efikasitetin më të lartë të konvertimit të dritës në energji elektrike.
Shkrirja
Silicon gjysmëpërçues me pastërti të lartë (vetëm disa pjesë për milion papastërti) shkrihet në një kavanoz në 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), zakonisht i bërë nga kuarci. Atomet e papastërtive dopantuese si bor ose fosfor mund t'i shtohen silikonit të shkrirë në sasi të sakta për doping, duke e ndryshuar atë në silikon të tipit p ose n me veti të ndryshme elektronike. Një kristal i orientuar saktësisht nga fara e shufrës është i zhytur në silikon të shkrirë. Kërcelli i kristalit të farës ngrihet ngadalë lart dhe rrotullohet në të njëjtën kohë. Nëpërmjet kontrollit të saktë të gradientëve të temperaturës, shpejtësisë së tërheqjes dhe shpejtësisë së rrotullimit, një biletë e madhe me një kristal mund të hiqet nga shkrirja. Shfaqja e paqëndrueshmërive të padëshirueshme në shkrirje mund të shmanget duke ekzaminuar dhe vizualizuar fushat e temperaturës dhe shpejtësisë. Ky proces zakonisht kryhet në një atmosferë inerte si argoni, në një dhomë inerte siç është kuarci.
Delikate industriale
Për shkak të efektivitetit të karakteristikave të përgjithshme të kristaleve, industria e gjysmëpërçuesve përdor kristale me madhësi të standardizuara. Në ditët e para, gurët e tyre ishin më të vegjël, vetëm disa centimetragjerësia. Me teknologji të avancuar, prodhuesit e pajisjeve me cilësi të lartë përdorin pllaka me diametër 200 mm dhe 300 mm. Gjerësia kontrollohet nga kontrolli i saktë i temperaturës, shpejtësia e rrotullimit dhe shpejtësia e heqjes së mbajtësit të farës. Shufrat kristalore nga të cilat priten këto pllaka mund të jenë deri në 2 metra të gjata dhe të peshojnë disa qindra kilogramë. Vaferat më të mëdha mundësojnë efikasitet më të mirë prodhimi sepse mund të bëhen më shumë patate të skuqura në secilën vaferë, kështu që disku i qëndrueshëm ka rritur madhësinë e vaferave të silikonit. Hapi tjetër në rritje, 450 mm, aktualisht është planifikuar të prezantohet në vitin 2018. Vaferat e silikonit janë zakonisht rreth 0,2-0,75 mm të trasha dhe mund të lustrohen në një nivel të madh për të krijuar qarqe të integruara ose teksturë për të krijuar qeliza diellore.
Ngrohje
Procesi fillon kur dhoma nxehet në rreth 1500 gradë Celsius, duke shkrirë silikonin. Kur silikoni është shkrirë plotësisht, një kristal i vogël farë i montuar në fund të boshtit rrotullues zbret ngadalë derisa të jetë nën sipërfaqen e silikonit të shkrirë. Boshti rrotullohet në drejtim të kundërt të akrepave të orës dhe gropa rrotullohet në drejtim të akrepave të orës. Shufra rrotulluese më pas tërhiqet lart shumë ngadalë - rreth 25 mm në orë në prodhimin e një kristali rubini - për të formuar një guaskë afërsisht cilindrike. Boule mund të jetë nga një deri në dy metra, në varësi të sasisë së silikonit në crucible.
Përçueshmëria elektrike
Karakteristikat elektrike të silikonit rregullohen duke shtuar një material të tillë si fosfori ose bor para shkrirjes së tij. Materiali i shtuar quhet dopant dhe procesi quhet doping. Kjo metodë përdoret gjithashtu me materiale gjysmëpërçuese të tjera përveç silikonit, të tilla si arsenidi i galiumit.
Veçoritë dhe Përfitimet
Kur silikoni rritet me metodën Czochralski, shkrirja përmbahet në një kavanoz silicë. Gjatë rritjes, muret e kavanozit treten në shkrirje dhe substanca që rezulton përmban oksigjen në një përqendrim tipik prej 1018 cm-3. Papastërtitë e oksigjenit mund të kenë efekte të dobishme ose të dëmshme. Kushtet e pjekjes të zgjedhura me kujdes mund të çojnë në formimin e depozitave të oksigjenit. Ato ndikojnë në kapjen e papastërtive të padëshiruara të metalit kalimtar në një proces të njohur si grumbullim, duke përmirësuar pastërtinë e silikonit përreth. Megjithatë, formimi i depozitave të oksigjenit në vende të padëshiruara mund të shkatërrojë gjithashtu strukturat elektrike. Përveç kësaj, papastërtitë e oksigjenit mund të përmirësojnë forcën mekanike të vaferave të silikonit duke imobilizuar çdo zhvendosje që mund të futet gjatë përpunimit të pajisjes. Në vitet 1990, u tregua eksperimentalisht se përqendrimi i lartë i oksigjenit është gjithashtu i dobishëm për ngurtësinë e rrezatimit të detektorëve të grimcave të silikonit të përdorur në mjedise të rrezatimit të ashpër (siç janë projektet LHC/HL-LHC të CERN-it). Prandaj, detektorët e rrezatimit të silikonit të rritur nga Czochralski konsiderohen kandidatë premtues për shumë aplikime të ardhshme.eksperimente në fizikën e energjisë së lartë. Është treguar gjithashtu se prania e oksigjenit në silikon rrit marrjen e papastërtive në procesin e pjekjes pas implantimit.
Probleme me reagimin
Megjithatë, papastërtitë e oksigjenit mund të reagojnë me borin në një mjedis të ndriçuar. Kjo çon në formimin e një kompleksi bor-oksigjen elektrikisht aktiv, i cili redukton efikasitetin e qelizave. Prodhimi i modulit bie me afërsisht 3% gjatë orëve të para të ndriçimit.
Përqendrimi i papastërtisë së kristalit të ngurtë që rezulton nga ngrirja e vëllimit mund të merret duke marrë parasysh koeficientin e ndarjes.
Rritja e kristaleve
Rritja e kristalit është një proces në të cilin një kristal para-ekzistues bëhet më i madh ndërsa numri i molekulave ose joneve në pozicionet e tyre në rrjetën kristalore rritet, ose një zgjidhje shndërrohet në një kristal dhe rritja e mëtejshme përpunohet. Metoda Czochralski është një formë e këtij procesi. Një kristal përkufizohet si atome, molekula ose jone të rregulluar në një model të renditur, të përsëritur, një rrjetë kristali që shtrihet në të tre dimensionet hapësinore. Kështu, rritja e kristaleve ndryshon nga rritja e një rënie të lëngshme në atë që gjatë rritjes, molekulat ose jonet duhet të bien në pozicionet e duhura të rrjetës në mënyrë që një kristal i renditur të rritet. Ky është një proces shumë interesant që i ka dhënë shkencës shumë zbulime interesante, siç është formula elektronike e germaniumit.
Procesi i rritjes së kristaleve kryhet falë pajisjeve speciale - balonave dhe grilave, në të cilat zhvillohet pjesa kryesore e procesit të kristalizimit të një lënde. Këto pajisje ekzistojnë në numër të madh pothuajse në çdo ndërmarrje që punon me metale, minerale dhe substanca të tjera të ngjashme. Gjatë procesit të punës me kristalet në prodhim, u bënë shumë zbulime të rëndësishme (për shembull, formula elektronike e germaniumit të përmendur më sipër).
Përfundim
Metoda së cilës i kushtohet ky artikull ka luajtur një rol të madh në historinë e prodhimit industrial modern. Falë tij, njerëzit më në fund kanë mësuar se si të krijojnë kristale të plota të silikonit dhe shumë substancave të tjera. Fillimisht në kushte laboratorike, e më pas në shkallë industriale. Metoda e rritjes së kristaleve të vetme, e zbuluar nga shkencëtari i madh polak, përdoret ende gjerësisht.
