La fusión por zonas (o refinación por zonas , o método de zona flotante , o técnica de zona flotante ) es un grupo de métodos similares de purificación de cristales, en los que se funde una región estrecha de un cristal, y esta zona fundida se mueve a lo largo del cristal. La región fundida funde el sólido impuro en su borde delantero y deja una estela de material más puro solidificado detrás de ella a medida que se mueve a través del lingote. Las impurezas se concentran en la masa fundida y se mueven hacia un extremo del lingote. La refinación por zonas fue inventada por John Desmond Bernal [1] y desarrollada posteriormente por William G. Pfann [2] en Bell Labs como un método para preparar materiales de alta pureza, principalmente semiconductores , para la fabricación de transistores . Su primer uso comercial fue en el germanio , refinado a un átomo de impureza por diez mil millones, [3] pero el proceso se puede extender a prácticamente cualquier sistema soluto - disolvente que tenga una diferencia de concentración apreciable entre las fases sólida y líquida en equilibrio. [4] Este proceso también se conoce como proceso de zona de flotación, particularmente en el procesamiento de materiales semiconductores.
El principio es que el coeficiente de segregación k (la relación en equilibrio entre una impureza en la fase sólida y la que se encuentra en la fase líquida) suele ser inferior a uno. Por lo tanto, en el límite sólido/líquido, los átomos de impurezas se difundirán hacia la región líquida. Por lo tanto, al pasar una bola de cristal a través de una sección delgada de un horno muy lentamente, de modo que solo una pequeña región de la bola se funda en cualquier momento, las impurezas se segregarán al final del cristal. Debido a la falta de impurezas en las regiones sobrantes que se solidifican, la bola puede crecer como un monocristal perfecto si se coloca un cristal semilla en la base para iniciar una dirección elegida de crecimiento del cristal. Cuando se requiere una alta pureza, como en la industria de semiconductores, se corta el extremo impuro de la bola y se repite el refinado. [ cita requerida ]
En el refinado por zonas, los solutos se segregan en un extremo del lingote para purificar el resto o concentrar las impurezas. En el nivelado por zonas , el objetivo es distribuir el soluto de manera uniforme por todo el material purificado, que puede buscarse en forma de un monocristal . Por ejemplo, en la preparación de un transistor o un diodo semiconductor , primero se purifica un lingote de germanio mediante refinado por zonas. Luego se coloca una pequeña cantidad de antimonio en la zona fundida, que pasa a través del germanio puro. Con la elección adecuada de la velocidad de calentamiento y otras variables, el antimonio se puede distribuir de manera uniforme por todo el germanio. Esta técnica también se utiliza para la preparación de silicio para su uso en circuitos integrados ("chips"). [ cita requerida ]
Se puede utilizar una variedad de calentadores para la fusión por zonas, siendo su característica más importante la capacidad de formar zonas fundidas cortas que se mueven lenta y uniformemente a través del lingote. Las bobinas de inducción , los calentadores de resistencia de anillo enrollado o las llamas de gas son métodos comunes. Otro método es pasar una corriente eléctrica directamente a través del lingote mientras está en un campo magnético , con la fuerza magnetomotriz resultante cuidadosamente ajustada para que sea exactamente igual al peso con el fin de mantener el líquido suspendido. Los calentadores ópticos que utilizan lámparas halógenas o de xenón de alta potencia se utilizan ampliamente en instalaciones de investigación, particularmente para la producción de aislantes, pero su uso en la industria está limitado por la potencia relativamente baja de las lámparas, que limita el tamaño de los cristales producidos por este método. La fusión por zonas se puede realizar como un proceso por lotes , o se puede hacer de forma continua, con material impuro fresco que se agrega continuamente en un extremo y el material más puro se elimina del otro, con la fusión de la zona impura que se elimina a la velocidad que dicta la impureza de la materia prima. [ cita requerida ]
Los métodos de zona flotante con calentamiento indirecto utilizan un anillo de tungsteno calentado por inducción para calentar el lingote de forma radiactiva y son útiles cuando el lingote es de un semiconductor de alta resistividad en el que el calentamiento por inducción clásico es ineficaz. [ cita requerida ]
Cuando la zona líquida se desplaza una cierta distancia , la cantidad de impurezas en el líquido cambia. Las impurezas se incorporan al líquido que se derrite y al sólido que se congela. [5] [ Aclaración necesaria ]
La cantidad de impurezas en el líquido cambia de acuerdo con la siguiente expresión durante el movimiento de la zona fundida.
En las células solares , el procesamiento de la zona de flotación es particularmente útil porque el silicio monocristalino cultivado tiene propiedades deseables. La vida útil del portador de carga a granel en el silicio de la zona de flotación es la más alta entre varios procesos de fabricación. La vida útil del portador de la zona de flotación es de alrededor de 1000 microsegundos en comparación con los 20-200 microsegundos con el método Czochralski y los 1-30 microsegundos con el silicio policristalino fundido . Una vida útil a granel más larga aumenta significativamente la eficiencia de las células solares . [ cita requerida ]
Se utiliza para la producción de dispositivos semiconductores de alta potencia basados en silicio de zona flotante . [6] : 364
Otro proceso relacionado es la refundición por zonas , en la que se distribuyen dos solutos a través de un metal puro. Esto es importante en la fabricación de semiconductores, donde se utilizan dos solutos de tipo de conductividad opuesto. Por ejemplo, en el germanio, los elementos pentavalentes del grupo V, como el antimonio y el arsénico, producen conducción negativa (tipo n), y los elementos trivalentes del grupo III, como el aluminio y el boro, producen conducción positiva (tipo p). Al fundir una parte de dicho lingote y volver a congelarlo lentamente, los solutos en la región fundida se distribuyen para formar las uniones np y pn deseadas. [ cita requerida ]
