Кремний
 |
Скачать статью "Кремний" (PDF, 489 KB) |
Обычно кремний считается материалом для систем, работающих в средней ИК-области спектра от 3 до 5 микрон. Но фактически этот материал может использоваться в гораздо более широком диапазоне длин волн от 1.2 микрон до 1000 микрон и даже больше.
Мы используем три вида кремния:
- кремний оптический, выращенный методом Чохральского (OCz-Si),
- кремний оптический, выращенный методом зонной плавки (FZ-Si),
- кремний высокоомный оптический, выращенный методом зонной плавки (HRFZ-Si).
Выбор материала из этих трёх типов зависит от рабочего диапазона длин волн, толщины элемента и специфики применения. Мы используем кристаллы соответствующего типа (в зависимости от технологии изготовления, типа проводимости и сопротивления), чтобы достичь наилучшего пропускания в требуемой области спектра. Ниже продемонстрированы и описаны основные принципы правильного выбора материала. Также надо отметить, что пропускание не зависит от ориентации кристалла, так как кремний, имея кубическую симметрию, является изотропным кристаллом.
На рис. 1 показаны спектры пропускания кремния в ближнем и среднем ИК-диапазонах. Как видно, в диапазоне от 3 до 5 микрон нет практически никакой разницы в пропускании материалов всех используемых градаций и сопротивлений. Также все типы материалов имеют фононные пики абсорбции, обусловленные решеточным поглощением в диапазоне от 6.5 до 25 микрон. Кремний, выращенный методом Чохральского, имеет пики на длинах волн 5.8, 9.1 и 19.4 микрон, индуцированные кислородным поглощением.
За счет гораздо меньшей концентрации кислорода (1016 см-3 вместо порядка 1018 см-3 в кремнии, выращенном методом Чохральского) кремний, выращенный методом зонной плавки, не имеет кислородных пиков и может использоваться для более критичных применений.
Решёточное поглощение также как и кислородное поглощение, зависит от оптического пути луча внутри элемента (грубо от толщины элемента). Оно не зависит от сопротивления. Таким образом, толщина элемента является достаточно критичным параметром в диапазоне 6-25 микрон.
Рис. 1 Пропускание кремния в диапазоне 1-25 микрон. Стрелками указаны пики кислородного поглощения. Толщина образца 5 мм.
На рис. 2 приведены спектры пропускания образцов различной толщины. Видно, что в диапазоне от 3 до 5 микрон, обычно используемом в пирометрии и термографии, и даже до 6.5 микрон зависимость пропускания от толщины незначительна. Для больших длин волн поглощение становится существенным, и пропускание сильно зависит от толщины. Для образца кремния, выращенного методом Чохральского, толщиной 5 мм среднее пропускание в диапазоне 8-10 микрон меньше 32% (для кремния, выращенного методом зонной плавки, около 38%) и только 18% в диапазоне 10-14 микрон (одинаково для кремния, выращенного методом зонной плавки и методом Чохральского).
Однако, кремниевые окна толщиной менее, либо около 1 мм могут быть успешно использованы во втором «атмосферном окне» от 7 до 14 микрон. В этом диапазоне среднее пропускание окна из кремния, выращенного методом Чохральского, с толщиной 0.5 мм превышает 51% и для кремния, выращенного методом зонной плавки, оно немного выше (около 51.9%) из-за отсутствия кислородной линии поглощения.
Рис. 2 Пропускание кремния, выращенного методом зонной плавки и методом Чохральского, в зависимости от толщины.
Пропускание в дальнем ИК диапазоне показано на рис. 3. Мы обращаем внимание на то, что, начиная с 21 микрона, нет разницы в пропускании между кремнием, выращенным методом Чохральского и методом зонной плавки с одинаковым сопротивлением и типом проводимости. Для таких приложений (50 микрон и более) мы предлагаем высокоомный кремний, выращенный методом зонной плавки, сохраняющий пропускание 50-54% до 1000 микрон (и более по специальному запросу). Кремний с сопротивлением до 30 кОм х см может быть использован.
Рис. 3 Пропускание кремния, 16-1000 микрон. Толщина образцов 5 мм.
Максимальные размеры кристаллов, используемых для изготовления оптики:
- Si, выращенный методом Чохральского - 300 мм;
- Si, выращенный методом зонной плавки - 150 мм;
- высокоомный Si, выращенный методом зонной плавки - 150 мм.
Физические свойства кремния
| Плотность, г/см3 | 2.329 | |
| Точка плавления, oC | 1412 | |
| Молекулярный вес | 28.09 | |
| Поверхностное натяжение (в жидком состоянии в точке плавления), мН/м | 736 | |
| Коэффициент линейного термического расширения при 25ºC | 2.55 x 10-6 | |
| Теплопроводность при 27ºC , Вт/(м x ºC) | 159 | |
| Удельная теплоёмкость (тв.), Дж/(кг x ºC) | 712 | |
| Тепловой коэффициент показателя преломления при 25ºC | 1.50 x 10-4 | |
| Собственное сопротивление, кОм x см | 240 | |
| 1 Ом x см (n -тип) равен, 10 15 /см3 | 2.93 | |
| 1 Ом x см (p -тип) равен, 10 15 /см3 | 7.33 | |
| Дрейфовая подвижность собственных электронов, см2 /(В x сек.) | 1500 | |
| Количество собственных электронов , см-3 | 1.22 x 1010 | |
| Дрейфовая подвижность собственных дырок, см2 /(В x сек.) | 600 | |
| Запрещённая зона, минимум, эВ | 300 K | 1.14 |
| 0 K | 1.17 | |
| Модуль разрыва, МПа | 125 | |
| Твёрдость по Моосу | 7 | |
| Модуль Юнга (E), Па | 1.89 x 1010 | |
| Модуль сдвига (G), Па | 7.99 x 1010 | |
| Коэффициент поперечной деформации (Пуассона) | 0.266 | |
| Растворимость в воде | нерастворим | |
Коэффициент преломления кремния в зависимости от длины волны
| l, микроны | n | l, микроны | n | l, микроны | n |
| 1.40 | 3.4900 | 4.50 | 3.4270 | 7.00 | 3.4227 |
| 1.50 | 3.4841 | 5.00 | 3.4256 | 7.14 | 3.4226 |
| 1.66 | 3.4700 | 5.28 | 3.4250 | 7.30 | 3.4225 |
| 1.82 | 3.4600 | 5.50 | 3.4246 | 7.50 | 3.4224 |
| 2.00 | 3.4561 | 5.70 | 3.4243 | 7.72 | 3.4222 |
| 2.50 | 3.4431 | 5.83 | 3.4241 | 8.00 | 3.4220 |
| 3.00 | 3.4360 | 5.92 | 3.4239 | 8.16 | 3.4220 |
| 3.30 | 3.4326 | 6.00 | 3.4238 | 8.50 | 3.4218 |
| 3.50 | 3.4317 | 6.50 | 3.4232 | 9.00 | 3.4216 |
| 4.00 | 3.4289 | 6.92 | 3.4228 | 9.09 | 3.4215 |
В соответствии с формулой 
, где ε0 = 11.67 - статическая диэлектрическая проницаемость, коэффициент преломления кремния стремится к значению 3.416 при стремлении длины волны к бесконечности (до 1000 микрон и более).
Обращаем Ваше внимание на то, что мы не поставляем кремний в необработанном виде, а только готовые, полированные компоненты.
Продукция, доступная для заказа и готовая к отгрузке. Склад продукции.
Минимальный заказ/ Доставка/ Условия оплаты/ Гарантии...
