Stopowanie. Przewodnictwo w domieszkowanym germanie i krzemie Alternatywna wersja powyższego

Drugim zaawansowanym technologicznie obszarem prac wykorzystującym badawczy reaktor jądrowy VVR-ts jest domieszkowanie jądrowe (transmutacja neutronowa) i modyfikacja radiacyjna materiałów półprzewodnikowych.

Wiadomo, że aby nadać krzemowi półprzewodnikowemu pożądane właściwości elektryczne, konieczne jest wprowadzenie do kryształu atomów zanieczyszczeń. Warunkiem koniecznym do tego jest jednorodność rozkładu atomów zanieczyszczeń w objętości kryształu, co z kolei zapewnia jednorodność rozkładu rezystywności elektrycznej. Konwencjonalne metody domieszkowania nie są w stanie zapewnić wymaganego poziomu równomierności rozkładu domieszek w objętości pojedynczego kryształu, zwłaszcza przy hodowli dużych monokryształów. Dopiero metoda domieszkowania jądrowego (transmutacji neutronowej) umożliwia otrzymanie wysokiej jakości krzemu monokrystalicznego spełniającego współczesne wymagania energoelektroniki i energetyki w zakresie jednorodności, stabilności i powtarzalności właściwości.

Metoda opiera się na przemianach jądrowych, które zachodzą, gdy neutrony termiczne są wychwytywane przez jądra izotopu krzemu-30, po czym następuje utworzenie izotropowo rozłożonej domieszki fosforu-31 w monokrysztale krzemu.

Na bazie reaktora badawczego VVR-ts opracowano krajową technologię domieszkowania jądrowego (transmutacji neutronowej).

Opracowano główne metody napromieniania długich monokrystalicznych detali krzemowych, zapewniające równomierne i precyzyjne „wprowadzanie” domieszki, w zależności od
parametry strefy napromieniowania i cechy konstrukcyjne zastosowanego typu reaktora jądrowego: tryb statyczny, ruch posuwisto-zwrotny pojemnika z jednoczesnym obrotem, ciągły przepływ kolumny pojemników wzdłuż rdzenia z jednoczesnym obrotem, metody obróbki końcowej i tryby wyżarzania napromieniowane kryształy. Obecnie linia do napromieniania wlewków krzemowych o średnicy do 85 mm pracuje z pełnym cyklem operacji technologicznych post-processingu. Odchylenie od równomiernego rozkładu atomów zanieczyszczeń na średnicy wlewka nie przekracza 3-5%. Rezystywność elektryczna, w zależności od stopnia domieszkowania, który jest określany przez fluencję neutronów, waha się od 15 do 600 Ohm*cm. Żywotność nośników ładunku mniejszościowego w tym przypadku przekracza 100 μs.

Krzem domieszkowany jądrowo (YALS) oddziału NIFHI jest certyfikowany przez szereg firm zagranicznych: Wacker, Freiberger (Niemcy), Topsil (Dania), SKD (Czechy). Dla niektórych z nich realizujemy regularne dostawy na podstawie umowy.

Jednocześnie powstają dwie nowe linie technologiczne do produkcji NLK na bazie reaktora VVR-ts: linia do domieszkowania krzemu monokrystalicznego wysokiej czystości o średnicy do 105 mm do fotodetektorów i detektorów promieniowania jądrowego i kosmicznego oraz linię do produkcji NLK o średnicy do 156 mm.

Drugim materiałem półprzewodnikowym, dla którego opracowano technologię domieszkowania i modyfikacji, jest arsenek galu. Metoda dopingu opiera się na reakcjach jądrowych:

Arsenek galu domieszkowany jądrowo znajduje zastosowanie w energetyce słonecznej i mikroelektronice, a także jest wykorzystywany do produkcji detektorów promieniowania.

Modyfikacja radiacyjna półizolującego arsenku galu opiera się na optymalnej kombinacji warunków napromieniania i późniejszej obróbki cieplnej. W tym przypadku niejednorodność właściwości elektrycznych i optycznych w objętości kryształu zmniejsza się kilkakrotnie i nie przekracza 5%, a stabilność termiczna i radiacyjna materiału wzrasta. W ten sam sposób można otrzymać arsenek galu o współczynniku absorpcji optycznej poniżej 60 przy długości fali 10,6 μm, czyli dwukrotnie mniejszym niż w oryginale. Taki materiał stosuje się w układach optycznych laserów. Próbki tego materiału zostały certyfikowane przez szereg firm amerykańskich, z którymi została zawarta umowa na opracowanie technologii produkcji z późniejszymi dostawami produktów.

Charakterystyka techniczna YALK, wyprodukowanego według technologii opracowanej w oddziale NIFHI im. L.Ya. Karpow.

Wynalazek dotyczy technik związanych z procesami domieszkowania jonowo-plazmowego półprzewodników i może być stosowany w produkcji ogniw słonecznych, urządzeń półprzewodnikowych i układów scalonych na bazie krzemu. metoda domieszkowania krzemu polega na poddaniu wafla krzemowego w wyładowaniu jarzeniowym gazów obojętnych nie będących domieszkami, jako źródło domieszek stosuje się mocno domieszkowaną elektrodę płytkową wykonaną z niejednorodnego stopu krzemu z fosforem lub borem, a proces domieszkowania jest przeprowadzany przy okresowej zmianie polaryzacji impulsów napięciowych przyłożonych do elektrod. Domieszkowanie plazmy można przeprowadzić bez specjalnych środków bezpieczeństwa, z wyłączeniem z procesu drogich toksycznych gazów palnych o wysokiej czystości, co upraszcza proces i obniża koszty. Rezystancja płytki krzemowej przed obróbką plazmą jonową wynosiła 10 omów, po obróbce spadła do 3 omów, co wskazuje na poprawę parametrów techniczno-ekonomicznych domieszkowania krzemu.

Wynalazek dotyczy technik związanych z procesami domieszkowania jonowo-plazmowego półprzewodników i może być stosowany w produkcji ogniw słonecznych, urządzeń półprzewodnikowych i układów scalonych na bazie krzemu.

Najbardziej znane metody domieszkowania półprzewodników to domieszkowanie dyfuzyjne (dyfuzja), implantacja domieszek za pomocą wiązki jonowej i plazmy jonowej (implantacja) (domieszkowanie jonowe). Wykorzystywane są w technologii półprzewodnikowej do tworzenia złącz p-n w strukturach układów scalonych (IC), ogniw słonecznych (SC) i innych urządzeń półprzewodnikowych.

Stopowanie dyfuzyjne polega na tym, że płyta jest podgrzewana do wysokiej temperatury w piecach dyfuzyjnych przy użyciu:

Dyfuzory gazowe (typ PH 3 , B 2 H 6 z domieszką silikonową),

W oparach ciekłych dyfuzorów (takich jak BBr 3 , PC1 3 po domieszce krzemu), dostarczanych do obszaru roboczego gazem nośnym (zwykle N2) z dodatkiem tlenu,

Dyfuzor stały (związki boru lub fosforu podczas domieszkowania krzemu) wcześniej osadzony na powierzchni półprzewodnika.

Jednak pomimo prostoty i niskiego kosztu metoda ta ma szereg istotnych wad.

1. Ze względu na niskie współczynniki dyfuzji (np. dyfuzja pierwiastków grup III i V układu okresowego do krzemu następuje głównie poprzez mechanizm wakancji) domieszkowanie prowadzi się zwykle w wysokich temperaturach (dla Si 800-1000° C) i przez długi czas.

2. Trudno uzyskać cienkie warstwy domieszkowane i ostre złącza p-n.

3. Jako dyfuzory stosowane są wysoce toksyczne, palne i wybuchowe gazy i ciecze, co komplikuje przemysłowe zastosowanie tej metody.

Znana jest metoda implantacji jonów, w której do kryształu wprowadza się zjonizowane atomy (jony) domieszki o wysokiej energii (1-50 keV).

Przenikając do kryształu, jony domieszek zajmują w jego sieci pozycję atomów substytucyjnych (w dużych dawkach większość jonów zatrzymuje się w szczelinach i staje się elektrycznie obojętna), tworząc odpowiedni rodzaj przewodnictwa (w zależności od rodzaju domieszki). Głębokość wnikania jonów i charakter ich rozkładu w półprzewodniku determinują: napięcie przyspieszające akceleratora jonów (blok instalacji wiązki jonowej), parametry elektryczne penetrujących jonów i atomów półprzewodnika, kierunek ruchu wiązki jonów względem osi krystalograficznych półprzewodnika, warunki procesu penetracji i obróbki cieplnej płytek po penetracji jonów. W celu aktywowania wszczepionych zanieczyszczeń (przeniesienia ich z położenia śródmiąższowego do węzłów sieci krystalicznej), wyżarzania warstw amorficznych i dyslokacji wywołanych implantacją, domieszkowany wafel jest podgrzewany (dla krzemu jest to 600-800°C).

Aby uzyskać płytkie warstwy, stosuje się dwie modyfikacje tej metody.

Jest to dobrze znana metoda implantacji wiązki jonowej, która polega na ekstrakcji jonów, ogniskowaniu, przyspieszaniu i skanowaniu wiązki jonów nad powierzchnią płytki półprzewodnikowej.

Wady tej metody są następujące.

1. Sprzęt (implantatory wiązki jonowej) jest uważany za drogi.

2. Niska wydajność.

3. Wysoki koszt na płytę.

Najbliżej zastrzeganej metody jest metoda implantacji plazmy jonowej, która polega na tym, że płytka półprzewodnikowa jest przetwarzana w wyładowaniu jarzeniowym gazu zawierającego pierwiastek stopowy.

W porównaniu z metodą wiązki jonowej, metoda ta jest bardziej wydajna i mniej kosztowna oraz, podobnie jak metoda wiązki jonowej, pozwala na uzyskanie płytkich warstw.

Zgodnie z tą metodą domieszkowana płytka znajduje się w plazmie zawierającej jony domieszkujące. Do stopowania z reguły stosuje się te same wysoce toksyczne, palne i wybuchowe gazy i pary, jak w przypadku stopów dyfuzyjnych (związki wodoru - wodorki i halogenki fosforu i boru). Na domieszkowaną płytkę przykładana jest sekwencja ujemnych impulsów, w wyniku czego i małej ruchliwości jonów w przestrzeni przykatodowej wokół domieszkowanej płytki tworzy się powłoka jonowa. Jony, przyspieszając, bombardują powierzchnię płyty i wnikają w warstwę przypowierzchniową. W wyniku późniejszego wyżarzania na całej powierzchni płytki tworzy się jednocześnie cienka warstwa domieszkowana i ostre złącze p-n.

Jednak ta metoda ma wiele istotnych wad.

1. Stosowanie jako źródeł domieszek silnie toksycznych, palnych i wybuchowych gazów i oparów komplikuje przemysłowe zastosowanie tej metody, ponieważ nakłada ona podwyższone, specjalne wymagania bezpieczeństwa na instalacje i urządzenia produkcyjne, komplikując w ten sposób ich konstrukcję i działanie, a tym samym prowadząc do wzrost kosztów.

2. Przy zastosowaniu VX 3 lub PX 3 (X - halogen) jako gazu źródłowego do domieszkowania zanieczyszczeń, X (fluor, chlor, brom) wchodzi do domieszkowanego wafla razem z borem, co negatywnie wpływa na właściwości elektryczne struktur półprzewodnikowych.

Celem niniejszego wynalazku jest poprawa parametrów technicznych i ekonomicznych domieszkowania plazmy jonowej krzemu.

Zaproponowano sposób domieszkowania krzemu, który polega na tym, że płytka krzemowa jest przetwarzana w wyładowaniu jarzeniowym gazu, charakteryzująca się tym, że jako gaz stosuje się gazy obojętne nie będące domieszkami, silnie domieszkowaną elektrodę w postaci płytkę wykonaną z niejednorodnego stopu krzemu z fosforem lub borem, a proces stopowania przeprowadza się z okresową zmianą polaryzacji impulsów napięciowych przyłożonych do elektrod.

W tym wynalazku gazem w wyładowaniu są głównie gazy obojętne: argon, hel, krypton, neon. W różnych celach można dodawać wodór lub azot. Pierwiastek stopowy pojawia się w ośrodku gazowym z powodu napylania katodowego elektrody stopowej podczas bombardowania jonami. A w przyszłości jony pierwiastka stopowego mogą być zjonizowane i wprowadzone do płytki krzemowej.

Elektroda domieszkująca do domieszkowania płytki krzemowej zawiera krzem (aby uniknąć zanieczyszczenia obcymi zanieczyszczeniami i zapewnić niezbędną przewodność elektrody) oraz pierwiastek stopowy (fosfor lub bor) o zawartości pierwiastków stopowych (0,01-50) wag. w postaci zanieczyszczenia rozpuszczonego w krzemie i wtrąceń drugiej fazy.

Stężenie pierwiastka stopowego dobiera się w zależności od wymaganego stopnia stopowania i odtwarzalności procesu.

Elektroda stopowa jest wtopiona w cewkę indukcyjną z silnym mieszaniem i szybkim krzepnięciem stopu, tak że druga faza (pierwiastek stopowy) wytrąca się w krzemie z ilością wtrąceń zależną od szybkości chłodzenia. Można również zastosować struktury plastra miodu stworzone za pomocą technologii mikroelektronicznych lub struktury takie jak krzem porowaty do umieszczania w nich domieszki.

Odrzucenie wodorków i halogenków pierwiastków stopowych pozwala na przeprowadzenie procesu stapiania plazmowego bez specjalnych środków bezpieczeństwa, usunięcie z procesu drogich toksycznych, palnych gazów o wysokiej czystości (które są zwykle kupowane za granicą), uproszczenie procesu i zmniejszenie koszty.

Urządzeniem realizującym proponowaną metodę jest układ diodowy i zawiera następujące elementy.

1. Komora próżniowa z niezbędnymi środkami pompowania i możliwością zaciągania gazów.

2. Zasilanie (generator impulsów).

3. Elektroda silnie domieszkowana - źródło domieszki.

4. Obrobiona płyta (możliwa obróbka grupowa).

5. System wlotu gazu.

Działanie urządzenia.

Komora jest wypompowywana i wpuszczany jest do niej argon.

Impulsy napięciowe są podawane na elektrody umieszczone równolegle, o identycznej powierzchni (z których jedna jest źródłem domieszki, którą jest płyta ze stopu krzemowo-borowego, a druga to płyta krzemowa przeznaczona do domieszkowania).

Impulsy napięciowe o amplitudzie około 2 kV, czasie trwania 20 μs i częstotliwości 1 kHz mają kształt zbliżony do prostokąta i następują grupami (paczkami). Każdy taki pakiet składa się z 5 impulsów, których polaryzacja zmienia się z częstotliwością 50 Hz. Szczelina wyładowcza wynosi 0,5 cm, ciśnienie argonu 10 kPa. Naprzemienne, pulsacyjne wyładowanie jarzeniowe zapala się w szczelinie międzyelektrodowej. W rezultacie w obszarze międzyelektrodowym pojawia się plazma, która zawiera atomy i jony krzemu, boru i argonu.

Doping odbywa się poprzez dwa mechanizmy:

1. Implantacja przypowierzchniowej warstwy płytki stopowej jonami boru.

2. Dostarczenie napylonych atomów na powierzchnię płytki stopowej z następczą dyfuzją aktywowaną przez bombardowanie jonami skierowane do objętości płytki.

Jony powstałej niskotemperaturowej plazmy argonowej poruszają się, przyspieszając, w ciemnej przestrzeni katodowej (która powstaje automatycznie przy każdym wyładowaniu ze względu na małą ruchliwość jonów) w kierunku celu (katody). Gdy jony się poruszają, zderzają się z atomami gazu. W tym przypadku dochodzi do zderzenia sprężystego z szerokokątnym rozpraszaniem lub rezonansową wymianą ładunku, w której jony zamieniają się w cząstki obojętne z zachowaniem ich wektora prędkości, a atomy gazu zamieniają się w jony o energii odpowiadającej energii cieplnej gazu atomy. Jony powstałe w wyniku wymiany ładunków zaczynają przyspieszać, aż do nowego zderzenia z atomem gazu lub tarczą, a obojętne cząstki będą lecieć w kierunku tarczy katodowej przez bezwładność.

Jony argonu, przyspieszając w obszarze spadku potencjału katody, bombardują cel - katodę. Następuje proces rozpylania katodowego. W tym przypadku większość energii jonów (do 90%) jest zużywana na ogrzewanie tarczy, a reszta na emisję elektronów, implantację jonów i rozpylanie atomów i jonów (głównie Si z płytki stopowej, a głównie Si i B z elektrody źródłowej).

Podczas ruchu atomy napylone (RA) zderzają się zarówno ze sobą, jak iz atomami argonu, w wyniku czego atomy ulegają redystrybucji pędów i energii.

Kierunek ruchu katody RA zmienia się silnie już po kilku pierwszych zderzeniach w odległości kilku średnich swobodnych torów. Ich rozkład w kierunkach pędu staje się izotropowy. Część atomów powraca do celu w wyniku zmiany kierunku, pozostałe ulegają termalizacji, a ich dalszy transport następuje w wyniku dyfuzji. Dla skutecznego dopingu, powrót RA do celu jest zminimalizowany.

Gdy polaryzacja przyłożonego napięcia jest odwrócona, elektrody na przemian pełnią funkcje anody i katody.

Podczas bombardowania jonami osadzone i wszczepione atomy domieszki (boru) są aktywowane i dyfundują do katody, domieszkując ją.

W wyniku obróbki mającej na celu zmniejszenie wytrzymałości płyty stwierdzono powstawanie przypowierzchniowej warstwy stopowej.

Przed obróbką plazmą jonową rezystancja wynosiła 10 omów, a po obróbce spadła do 3 omów.

Literatura

1. Fizyczne i chemiczne podstawy technologii mikroelektronicznej / Yu.D. Czystyakow, Yu.P. Raynova: podręcznik. dodatek dla uniwersytetów. - M.: Metalurgia, 1979. - 408 s.

2. Materiałoznawstwo półprzewodników i metaloznawstwo / S.S. Gorelik, M.Ya. Daszewski: podręcznik. dodatek dla uniwersytetów. - M.: Metalurgia, 1973. 495 s.

3. Materiałoznawstwo półprzewodników i dielektryków: podręcznik. dla uczelni wyższych na kierunku ″Materiałownictwo i Technologia Nowych Materiałów″, ″Nauka Materiałowa, Technologia Materiałów i Powłok″ /S.S. Gorelik, M.Ya. Daszewski. - wyd. 2, poprawione. i dodatkowe - M.: MISIS, 2003. - 480 pkt.

4. Implantacja jonów / X. Rissel, I. Ruge. - M.: Nauka, 1983. - 362 s.

5. Domieszkowanie jonowe półprzewodników (krzem i german) / J. Meyer, L. Erickson, J. Davis. - M.: Mir, 1973. - 296 s.

6. Implantacja jonów / F.F. Komarow, A.P. Nowikow, A.F. Burenkow. - Mińsk: Universitetskaya, 1994. - 303 s.

7. Fizyczne i chemiczne podstawy technologii półprzewodnikowej. Procesy wiązkowe i plazmowe w technologii płaskiej: podręcznik. dodatek / AV Bobyl, S.F. Karmanenko. Petersburg: Wydawnictwo Polytech, Uniwersytet, 2005. 113 s.

8. Jones E.S. i in. Imersyjna implantacja plazmowa do materiałów elektronicznych // Jap. J. Appl. Fiz. - 1996r. - Pt. 1. - Cz. 35. - nr 2 - B. - R. 1027-1036.

9. Weiner K.H. i in. Inżynieria mikroelektroniczna, 1993. - tom. 20. - R. 107-119.

10. Qin S., Chan C. Plazma immersyjna implantacja jonowa eksperymenty dopingowe dla mikroelektroniki // J. of Vac. nauka. Technologia B. - 1994. - Cz. 12, nr 2 (marzec/kwiecień).

11. Podręcznik dyscypliny „Technologie plazmowe w nanoelektronice” / A.A. Golishnikov AA, Putrya M.G. - M.: MIET, 2011. - 172 s.

12. Dyfrakcyjna spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich / I. Zeltser, E. Moos. - Saarbrücken, Niemcy: Lambert, 2012. - 593 pkt.

Metoda domieszkowania krzemu, polegająca na obróbce płytki krzemowej w wyładowaniu jarzeniowym, charakteryzująca się tym, że jako gaz stosuje się gazy obojętne niebędące domieszkami, mocno domieszkowana jest elektroda w postaci płytki wykonanej z niejednorodnego stopu stosowany jako źródło domieszek krzemu z fosforem lub borem, a proces domieszkowania odbywa się z okresową zmianą polaryzacji impulsów napięciowych przyłożonych do elektrod.

Podobne patenty:

Wynalazek dotyczy dziedziny elektrotechniki, w szczególności kondensatorów o niestandardowym rozmieszczeniu elektrod. Rezultatem technicznym wynalazku jest zwiększenie dokładności pomiaru temperatury badanego kryształu oraz poprawa warunków chłodzenia kryształu.

[0001] Wynalazek dotyczy materiału aktywnego elektrody ujemnej do wtórnego akumulatora litowo-jonowego, zawierającego stop zawierający Si w zakresie od 31% masowych lub więcej do 50% masowych lub mniej, Sn w zakresie 16% masowych lub więcej do 41% masowych lub mniej, Al w zakresie 24% masowych lub więcej do 43% masowych lub mniej oraz nieuniknione zanieczyszczenia jako pozostałość.

Materiał aktywny elektrody ujemnej dla urządzenia elektrycznego obejmuje stop zawierający krzem w zakresie od 33% masowych do 50% masowych, cynk w zakresie od ponad 0% masowych i wyłącznie od 46% masowych lub mniejszych , wanad w zakresie od 21% masowych do 67% masowych, a jako pozostałość nieuniknione zanieczyszczenia.

Materiał aktywny elektrody ujemnej dla urządzenia elektrycznego obejmuje stop zawierający Si w zakresie zawartości większym lub równym 27% masowych i mniejszym niż 100% masowych, Sn w zakresie zawartości większym niż 0% masowych i mniejszym niż lub równa 73% masowych, V w zakresie zawartości większym niż 0% masowych i mniejszym lub równym 73% masowych oraz nieuniknione zanieczyszczenia jako pozostałość.

Proponowany jest materiał aktywny elektrody ujemnej do urządzeń elektrycznych, głównie do akumulatora lub kondensatora w zasilaczach pojazdu elektrycznego, zawierający stop o składzie przedstawionym wzorem SixCyAlz.

Proponowany jest materiał aktywny elektrody ujemnej dla urządzenia elektrycznego, który jest stopem zawierającym Si w ilości od 17 do 90% wag., Ti w ilości od 10 do 83% wag., Ge w ilości od 0 do 73% wag. % i nieuniknione zanieczyszczenia jako pozostałość.

Wynalazek dotyczy dziedziny metalurgii, w szczególności aktywnego materiału elektrody ujemnej urządzenia elektrycznego i może być stosowany w akumulatorach, kondensatorach lub podobnych urządzeniach do zasilania i zasilania pomocniczego silników elektrycznych pojazdów.

Wynalazek dotyczy materiału aktywnego elektrody ujemnej do urządzenia elektrycznego zawierającego stop o wzorze składu SixZnyAlz, gdzie każdy z x, y i z reprezentuje procent wagowy spełniający: (1) x+y+z=100, (2) 26≤x ≤47, (3) 18≤y≤44 i (4) 22≤z≤46.

Myślę, że niewiele osób zdaje sobie sprawę, że cała energia odnawialna zależy dziś od pracy badawczej reaktorów jądrowych. Mowa o uzyskiwanym w nim krzemie domieszkowanym jądrowo (NALS), który służy do produkcji półprzewodników mocy wysokiego napięcia, bez których OZE nie jest możliwe. A teraz bardziej szczegółowo.

Prostowniki 12-pulsowe (wiszące po lewej) linii energetycznych UHV są również ważnymi odbiorcami krzemu domieszkowanego jądrowo

Jeśli spojrzymy na obwód elektryczny dowolnej elektrowni słonecznej lub wiatrowej, na pewno zobaczymy tam urządzenia inwerterowe - maszyny elektryczne, które przekształcają jeden prąd stały w inny i na zmienną sieciową. Są one potrzebne do dynamicznej organizacji przepływów energii elektrycznej w elektrowni słonecznej lub wiatraku oraz dokowania we właściwym trybie do globalnej sieci energetycznej.

Takie nieokreślone skrzynki zamieniają megawaty prądu stałego o napięciu kilkuset woltów na 50 Hz 10-35 kilowoltów.

A w nich działają takie kluczowe zespoły - na przykład jednofazowy mostek H o mocy 6 megawatów, ma 8 tyrystorów IGCT, które omówiono poniżej.

Inwertery to z kolei zestaw filtrów pasywnych, pracujących indukcyjności i transformatorów oraz co najważniejsze potężnych przełączników elektrycznych.W dzisiejszych falownikach energetycznych dwarodzaj łączników półprzewodnikowych -IGBTtranzystory iIGZTtyrystory( przy okazji literyIte urządzenia oznaczają zupełnie inne rzeczy :))

Tyrystor IGCT (tablet po lewej) i jego obwód sterujący (po prawej). Tyrystor wykonany jest z okrągłej płytki krzemowej.

A otwarty moduł IGBT ma nieco mniejszą moc. Nie ma potrzeby sterowania bramką wysokoprądową, a sam klucz składa się z wielu małych kryształków.

Stosunkowo małe przełączniki półprzewodnikowe mają obecnie maksymalne napięcie robocze do 7000 woltów przy prądzie roboczym do 5000 A, tj. urządzenie wielkości spodka do herbaty jest w stanie przełączyć 35 megawatów. Wraz z najwyższą sprawnością w zakresie 99% i stosunkowo wysoką częstotliwością przełączania, takie przełączniki w dużej mierze zdeterminowały świat współczesnej energoelektroniki. Obecnie, obok linii przesyłowych energii odnawialnej i UHV DC, głównym odbiorcą takich produktów są napędy (silniki elektryczne) o wysokiej sprawności i elastycznej pracy, takie jak napędy do lokomotyw elektrycznych, pojazdów elektrycznych Tesli czy potężnych obrabiarek.

Tyrystor w obudowie (tzw. press pack) oraz sama płytka półprzewodnikowa, która przełącza prąd.

Tak więc wszystkie przełączniki półprzewodnikowe o napięciu roboczym powyżej 1600 woltów są wykonane z krzemu, który został napromieniowany w reaktorze jądrowym - krzem domieszkowany jądrowo. Obecnie około 150 ton takiego krzemu rocznie produkuje się w dwudziestu napromienieniach, zwykle opartych na reaktorach badawczych. Producenci są rozproszeni po całym świecie, a wielkość tego rynku to około 150 milionów dolarów rocznie i jest to jeden z największych światowych rynków produktów izotopowych. W tym kilka rosyjskich reaktorów badawczych (Tomsk Polytech, NIFKhI, Mayak, RIAR) zapewnia około 10% światowych dostaw. Zazwyczaj organizacje będące właścicielami reaktorów współpracują z dostawcami krzemu, którzy przygotowują materiał źródłowy i zapewniają, że wlewki są cięte na wafle i sprzedawane.

Wlewek po napromieniowaniu i wyżarzaniu.

z domieszką nuklearnąkrzem (lubKrzem domieszkowany transmutacją neutronów)to ultraczysty krzem, w którym promieniowanie neutronowe części reaktora atomów izotopu 30Si przemienione w atomy fosforu 30p , tworzenie domieszkowanego przewodnictwan-rodzaj. Tradycyjnie takie domieszkowanie tworzy się przez domieszanie bardzo małej ilości fosforu do stopionego krzemu, ale problem polega na tym, że w tym przypadku lokalne stężenie domieszki może różnić się o kilkadziesiąt procent od wartości średniej. W przełącznikach wysokonapięciowych taki rozrzut prowadzi do pojawienia się „gorących punktów”, w których zaczyna płynąć znacznie więcej prądu niż przeciętnie i przebija się tranzystor lub tyrystor. Domieszkowanie przez napromieniowanie neutronami pozwala niektórymi sztuczkami na osiągnięcie jednorodności lepszej niż 5% odchylenia od wartości średniej - czasami nawet lepszej niż 3%.

A to są urządzenia radiacyjne duński Topsil, który jako pierwszy zaangażował się w komercyjną produkcję YALK pod koniec lat 70.

W tym celu w reaktorze jądrowym umieszcza się sztabkę czystego, monokrystalicznego krzemu, osłoniętego w miarę możliwości przed promieniowaniem gamma i prędkimi neutronami, które niszczą strukturę kryształu. Dla standardowej wartości strumienia neutronów w reaktorach badawczych (od 10 12 do 10 14 neutronów na cm 2 na sekundę) uzyskanie określonej przewodności kryształu krzemu trwa od kilku godzin do dnia napromieniowania. W tym przypadku domieszkowanie następuje zgodnie z reakcją 30 Si + n -> 31 Si -> 30 P (okres półtrwania 2,6 godziny), a powstały krzem musi być przechowywany przez kilka dni, aby jego radioaktywność spadła do bezpieczne poziomy.

Zależność między dawką neutronów, przewodnością i wynikową zawartością domieszek w NLK

Podczas napromieniania wlewek jest obracany i przesuwany w górę iw dół w celu równomiernego oświetlenia neutronami. Ponadto w niektórych reaktorach dużej mocy stosuje się absorber profilujący kadm lub bor, który dodatkowo wyrównuje niejednorodność osiową strumienia neutronów.

Jednak obecnie istnieją niejądrowe metody domieszkowania krzemu, które umożliwiają uzyskanie jakości prawie jądrowej i wypierają NLK z obszaru 600-1600 woltów, gdzie wcześniej stosowano tylko krzem jądrowy. Jednak wyższe napięcia nadal nie podlegają metodom chemicznym, a w ramach ogólnego trendu wzrostu gęstości mocy napięcia energoelektroniki stale rosną, więc jest miejsce dla krzemowego NLK.

Różne technologie otrzymywania domieszkowanych płytek krzemowych (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ i jądrowa FZ-NTD) koncentrują się na różnych niszach, m.in. według napięcia, zdjęcie od wiodącego producenta krzemu Topsil

Ponadto analitycy przewidują wzrost zużycia NLK związany ze wzrostem liczby pojazdów elektrycznych z akumulatorem wysokonapięciowym (przy napięciu akumulatora 800 woltów stosowane są już przełączniki o napięciu roboczym 1600 woltów i wyższym, na podstawie NL krzem). Niektóre szacunki sugerują, że w ciągu najbliższej dekady rynek wzrośnie ze 150 do 500 ton i więcej. Dlatego w wielu nowo budowanych reaktorach na etapie projektowania układa się kanały do ​​produkcji krzemu domieszkowanego jądrowo, mając nadzieję w ten sposób na obniżenie kosztów reaktora dla podatników. Na przykład takie kanały będą w MBIR i JHR.

Jednak na razie falownik Tesla Model S, który steruje 300-kilowatowym silnikiem, ma 84 tranzystory IGBT o napięciu roboczym 600 woltów, najprawdopodobniej niezwiązanych z krzemem domieszkowanym nuklearnie. Nie jest to jednak najbardziej zaawansowane rozwiązanie na dziś.

Tak więc „zielona elektryczna przyszłość” ludzkości jest nierozerwalnie związana z technologią jądrową, reaktorami jądrowymi i innymi straszliwie niezrównoważonymi dziedzictwem XX wieku.

Właściwości fizyczne i chemiczne stopu. Do zmiany różnych właściwości (wzrost twardości, odporności na zużycie, odporności na korozję itp.) przypowierzchniowej warstwy metali i stopów stosuje się również różne rodzaje stopów powierzchniowych. Stopowanie odbywa się na różnych etapach otrzymywania materiału metalicznego w celu poprawy jakości wyrobów hutniczych i wyrobów metalowych.

W produkcji specjalnych rodzajów szkła i ceramiki często wykonuje się stopowanie powierzchni. W przeciwieństwie do napylania i innych rodzajów powłok, dodane substancje dyfundują do materiału stopowego, stając się częścią jego struktury.

Cele dopingowe

Głównym celem jest zmiana rodzaju przewodnictwa i stężenia nośników w masie półprzewodnika w celu uzyskania pożądanych właściwości (przewodnictwo, uzyskanie wymaganej gładkości złącza pn). Najpopularniejszymi domieszkami krzemu są fosfor P i arsen As (pozwalają na uzyskanie przewodnictwa typu n) oraz bor B (typu p).

Metody dopingowe

Obecnie domieszkowanie odbywa się technologicznie na trzy sposoby: implantacja jonów, domieszkowanie transmutacyjne neutronów (NTL) oraz dyfuzja termiczna.

Implantacja jonów

Implantacja jonów umożliwia dokładniejszą kontrolę parametrów urządzenia niż dyfuzja termiczna i uzyskanie ostrzejszych połączeń pn. Technologicznie przechodzi przez kilka etapów:

• Napędzanie (implantacja) atomów zanieczyszczeń z plazmy (gazu).
• Aktywacja zanieczyszczeń, kontrola głębokości i gładkości połączenia pn poprzez wyżarzanie.

Implantacja jonów jest kontrolowana przez następujące parametry:

• dawka - ilość zanieczyszczenia;
• energia - określa głębokość nieczystości (im wyższa, tym głębsza);
• temperatura wyżarzania - im wyższa, tym szybsza redystrybucja nośników zanieczyszczeń;
• czas wyżarzania – im dłuższy, tym silniejsza redystrybucja zanieczyszczeń.

Doping transmutacyjny neutronów

W domieszce transmutacyjnej neutronów domieszki nie są wprowadzane do półprzewodnika, lecz powstają („transmutowane”) z atomów substancji pierwotnej (krzemu, arsenku galu) w wyniku reakcji jądrowych wywołanych napromieniowaniem substancji pierwotnej neutronami. NTL umożliwia otrzymanie krzemu monokrystalicznego o szczególnie równomiernym rozkładzie atomów zanieczyszczeń. Metodę stosuje się głównie do domieszkowania podłoża, zwłaszcza urządzeń energoelektronicznych.

Gdy napromieniowaną substancją jest krzem, pod wpływem strumienia neutronów termicznych z izotopu krzemu 30 Si powstaje radioaktywny izotop 31 Si, który następnie rozpada się, tworząc stabilny izotop fosforu 31 P. Powstały 31 P tworzy n przewodność typu.

W Rosji w 1980 roku wykazano możliwość domieszkowania krzemu transmutacyjnego neutronami na skalę przemysłową w reaktorach elektrowni jądrowych i bez uszczerbku dla produkcji energii elektrycznej. Do 2004 roku technologia stopowania wlewków krzemowych o średnicy do 85 mm została wprowadzona do użytku przemysłowego, w szczególności w elektrowni jądrowej Leningrad. .

Dyfuzja cieplna

Dyfuzja termiczna obejmuje następujące etapy:

• Osadzanie materiału stopowego.
• Obróbka cieplna (wyżarzanie) w celu wprowadzenia zanieczyszczeń do materiału stopowego.
• Usuwanie materiału stopowego.

Stopowanie w metalurgii

Fabuła

Stopowanie stało się celowo stosowane stosunkowo niedawno. Było to częściowo spowodowane trudnościami technologicznymi. Dodatki stopowe po prostu wypalały się przy użyciu tradycyjnej technologii wytwarzania stali. Dlatego do uzyskania stali damasceńskiej (adamasceńskiej) zastosowano dość skomplikowaną jak na tamte czasy technologię.

Warto zauważyć, że pierwszymi stalami, które spotkali ludzie, były stale stopowe naturalnie. Jeszcze przed początkiem epoki żelaza stosowano żelazo meteorytowe, zawierające do 8,5% niklu.

Wysoko cenione były także stale naturalnie stopowe z rud, które pierwotnie były bogate w pierwiastki stopowe. Podwyższona twardość i wytrzymałość mieczy japońskich, z możliwością zapewnienia ostrych krawędzi, może wynikać z obecności w stali molibdenu.

Współczesne poglądy na wpływ różnych pierwiastków chemicznych na właściwości stali zaczęły się kształtować wraz z rozwojem chemii w drugiej ćwierci XIX wieku.

Najwyraźniej wynalazek Muschette'a z 1858 r. ze stali zawierającej 1,85% węgla, 9% wolframu i 2,5% manganu można uznać za pierwsze udane zastosowanie ukierunkowanego stopowania. Stal przeznaczona była do produkcji frezów do obrabiarek i była prototypem nowoczesnej linii stali szybkotnących. Produkcja przemysłowa tych stali rozpoczęła się w 1871 roku.

Powszechnie przyjmuje się, że pierwszą masowo produkowaną stalą stopową była stal Hadfield, odkryta przez angielskiego metalurga Roberta Abbotta Hadfielda w 1882 roku. Stal zawiera 1,0 - 1,5% węgla i 12 - 14% manganu, posiada dobre właściwości odlewnicze i odporność na zużycie. Bez istotnych zmian w składzie chemicznym stal ta zachowała się do dziś.

Wpływ pierwiastków stopowych

W celu poprawy właściwości fizycznych, chemicznych, wytrzymałościowych i technologicznych metale są stapiane poprzez wprowadzanie do ich składu różnych pierwiastków stopowych. Do stali stopowych stosuje się chrom, mangan, nikiel, wolfram, wanad, niob, tytan i inne pierwiastki. Niewielkie dodatki kadmu do miedzi zwiększają odporność drutów na zużycie, dodatki cynku do miedzi i brązu zwiększają wytrzymałość, ciągliwość i odporność na korozję. Stopowanie tytanu z molibdenem ponad dwukrotnie zwiększa temperaturę pracy stopu tytanu ze względu na zmianę struktury krystalicznej metalu. Metale stopowe mogą zawierać jeden lub więcej pierwiastków stopowych, które nadają im specjalne właściwości.

Do stali wprowadza się pierwiastki stopowe w celu zwiększenia jej wytrzymałości strukturalnej. Głównym składnikiem konstrukcyjnym stali konstrukcyjnej jest ferryt, który zajmuje w konstrukcji co najmniej 90% objętości. Rozpuszczające się w ferrycie pierwiastki stopowe wzmacniają go. Twardość ferrytu (w stanie po normalizacji) najsilniej zwiększają krzem, mangan i nikiel. Molibden, wolfram i chrom mają mniejszy wpływ. Większość pierwiastków stopowych, wzmacniających ferryt i mających niewielki wpływ na ciągliwość, zmniejsza jego ciągliwość (z wyjątkiem niklu). Głównym celem stopowania jest zwiększenie wytrzymałości stali bez stosowania obróbki cieplnej poprzez wzmocnienie ferrytu poprzez rozpuszczenie w nim pierwiastków stopowych; wzrost twardości, wytrzymałości i wiązkości w wyniku wzrostu stabilności austenitu, a tym samym wzrostu hartowności; nadawanie stali specjalnych właściwości, z czego dla stali stosowanych do produkcji kotłów, turbin i urządzeń pomocniczych szczególne znaczenie ma żaroodporność i odporność na korozję. Pierwiastki stopowe mogą rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie, tworzyć węgliki, dawać związki międzymetaliczne, znajdować się w postaci wtrąceń bez interakcji z ferrytem i austenitem, a także z węglem. W zależności od tego, jak pierwiastek stopowy oddziałuje z żelazem lub węglem, w różny sposób wpływa na właściwości stali. Wszystkie pierwiastki rozpuszczają się w mniejszym lub większym stopniu w ferrycie. Rozpuszczanie pierwiastków stopowych w ferrycie prowadzi do hartowania stali bez obróbki cieplnej. W tym przypadku wzrasta twardość i wytrzymałość na rozciąganie, a udarność zwykle maleje. Wszystkie pierwiastki rozpuszczające się w żelazie zmieniają stabilność ferrytu i austenitu. Punkty krytyczne stali stopowych przesuwają się w zależności od tego, jakie pierwiastki stopowe i w jakich ilościach są w nich obecne. Dlatego przy doborze temperatur do hartowania, normalizacji i wyżarzania czy odpuszczania konieczne jest uwzględnienie przesunięcia punktów krytycznych.

Mangan i krzem są wprowadzane w procesie stalowniczym w celu odtleniania, są zanieczyszczeniami technologicznymi. Mangan wprowadzany jest do stali do 2%. Jest rozprowadzany między ferrytem a cementytem. Mangan wyraźnie zwiększa granicę plastyczności, próg kruchości na zimno i hartowność stali, ale czyni stal wrażliwą na przegrzanie. W związku z tym pierwiastki węglikotwórcze są wprowadzane do stali w celu mielenia ziarna z manganem. Ponieważ zawartość manganu jest w przybliżeniu taka sama we wszystkich stalach, jego wpływ na stal o różnym składzie pozostaje niezauważalny. Mangan zwiększa wytrzymałość bez zmniejszania ciągliwości stali.

Alternatywna wersja powyższego:

Krzem nie jest pierwiastkiem węglikotwórczym, a jego zawartość w stali jest ograniczona do 2%. Znacząco zwiększa granicę plastyczności i wytrzymałość stali, a przy zawartości powyżej 1% obniża wiązkość, ciągliwość oraz podwyższa próg kruchości na zimno. Krzem nie jest strukturalnie wykrywalny, ponieważ jest całkowicie rozpuszczalny w ferrycie, z wyjątkiem tej części krzemu, która nie miała czasu wpłynąć do żużla w postaci tlenku krzemu i pozostała w metalu w postaci wtrąceń krzemianowych.

Znakowanie stali stopowej

Marka wysokiej jakości stali stopowej w Rosji składa się z kombinacji liter i cyfr wskazujących na jej skład chemiczny. Pierwiastki stopowe mają następujące oznaczenia: chrom (X), nikiel (H), mangan (G), krzem (C), molibden (M), wolfram (B), tytan (T), tantal (TT), aluminium (U ), wanad (F), miedź (D), bor (R), kobalt (K), niob (B), cyrkon (C), selen (E), metale ziem rzadkich (H). Liczba po literze wskazuje zawartość pierwiastka stopowego w procentach. Jeśli liczba nie jest wskazana, to pierwiastek stopowy zawiera 0,8-1,5%, z wyjątkiem molibdenu i wanadu (których zawartość w solach wynosi zwykle do 0,2-0,3%) oraz boru (w stali o litera P powinna wynosić do 0,010 % ). W konstrukcyjnych stalach stopowych wysokiej jakości pierwsze dwie cyfry oznaczają zawartość węgla w setnych częściach procenta.

Oddzielne grupy stali są oznaczone nieco inaczej:

• Stale na łożyska kulkowe są oznaczone literami (ШХ), po których zawartość chromu jest wskazana w dziesiątych częściach procenta;
• Stale szybkotnące (stopy złożone) są oznaczone literą (P), następna liczba wskazuje zawartość wolframu w procentach;
• Stale automatyczne są oznaczone literą (A), a zawartość węgla w setnych procentach jest oznaczona liczbą.

Przykłady użycia

• Stać się
  • Stale chromowe;
  • Dobrze znane stale ShKh15 (przestarzałe oznaczenie marki) stosowane jako materiał na łożyska;
  • Tak zwane „stale nierdzewne”;
  • Stale i stopy stopowe z molibdenem, wolframem, wanadem;
  • Stale i stopy żaroodporne.
• Aluminium
• Brązy
• Mosiądz
• szkło

Zobacz też

Uwagi

Spinki do mankietów

• „Doping” – artykuł w „Encyklopedii chemicznej”
• „Stopy” – artykuł w Słowniku metalurgicznym
• „Doping” – artykuł w „Encyklopedii Cyryla i Metodego”

Fundacja Wikimedia. 2010 .

Zobacz, co „Doping” znajduje się w innych słownikach:

- (niem. legieren do bezpiecznika z łac. ligo łączę, łączę), 1) Wprowadzenie do składu stopów metali z tzw. pierwiastki stopowe (na przykład w stali Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti itp.) w celu nadania stopom pewnych fizycznych, chemicznych lub ... ... Wielki słownik encyklopedyczny

- (niemiecki Legirung, z łac. ligare do wiązania). Połączenie metalu szlachetnego z innym. Słownik wyrazów obcych zawartych w języku rosyjskim. Chudinov A.N., 1910. Niemiecki. Legirung, od łac. ligare, wiązanie. Fuzja… … Słownik obcych słów języka rosyjskiego

- (niemiecki legieren to stop, z łac. ligo łączę, łączę), wprowadzanie pierwiastków do stopionego metalu lub wsadu (np. chrom, nikiel, molibden, wolfram, wanad, niob, tytan w stali) które zwiększają mechaniczne, fizyczne i ... ... Współczesna encyklopedia

STOP, ruta, ruta; ten; sowy. i nonsov., że (specjalne). Dodaj (wlej) inne metale, stopy do składu metalu, aby nadać określone właściwości. pierwiastki stopowe. Stali stopowej. Słownik wyjaśniający Ożegowa. SI. Ożegow, N.Ju. Szwedowa… … Słownik wyjaśniający Ożegowa

Myślę, że niewiele osób zdaje sobie sprawę, że cała energia odnawialna zależy dziś od pracy badawczej reaktorów jądrowych. Mowa o uzyskiwanym w nim krzemie domieszkowanym jądrowo (NALS), który służy do produkcji półprzewodników mocy wysokiego napięcia, bez których OZE nie jest możliwe. A teraz bardziej szczegółowo.

Prostowniki 12-pulsowe (wiszące po lewej) linii energetycznych UHV są również ważnymi odbiorcami krzemu domieszkowanego jądrowo.

Jeśli spojrzymy na obwód elektryczny dowolnej elektrowni słonecznej lub wiatrowej, na pewno zobaczymy tam urządzenia inwerterowe - maszyny elektryczne, które przekształcają jeden prąd stały w inny i na zmienną sieciową. Są one potrzebne do dynamicznej organizacji przepływów energii elektrycznej w elektrowni słonecznej lub wiatraku oraz dokowania we właściwym trybie do globalnej sieci energetycznej.

Takie nieokreślone skrzynki zamieniają megawaty prądu stałego o napięciu kilkuset woltów na 50 Hz 10-35 kilowoltów.

A w nich działają takie kluczowe zespoły - na przykład jednofazowy mostek H o mocy 6 megawatów, ma 8 tyrystorów IGCT, które omówiono poniżej.

Inwertery to z kolei zestawy filtrów pasywnych, pracujących indukcyjności i transformatorów, a co najważniejsze potężne przełączniki elektryczne. W falownikach energii działają dziś dwa rodzaje przełączników półprzewodnikowych - tranzystory IGBT i tyrystory IGST (swoją drogą litery I w tych urządzeniach oznaczają zupełnie inne rzeczy :))

Tyrystor IGCT (tablet po lewej) i jego obwód sterujący (po prawej). Tyrystor wykonany jest z okrągłej płytki krzemowej.

A otwarty moduł IGBT ma nieco mniejszą moc. Nie ma potrzeby sterowania bramką wysokoprądową, a sam klucz składa się z wielu małych kryształków.

Stosunkowo małe przełączniki półprzewodnikowe mają obecnie maksymalne napięcie robocze do 7000 woltów przy prądzie roboczym do 5000 A, tj. urządzenie wielkości spodka do herbaty jest w stanie przełączyć 35 megawatów. Wraz z najwyższą sprawnością w zakresie 99% i stosunkowo wysoką częstotliwością przełączania, takie przełączniki w dużej mierze zdeterminowały świat współczesnej energoelektroniki. Obecnie, obok OZE i linii elektroenergetycznych UHV DC, głównym odbiorcą takich produktów są napędy (silniki elektryczne) o wysokiej sprawności i elastycznej pracy, takie jak napędy do lokomotyw elektrycznych, pojazdów elektrycznych Tesli czy potężnych obrabiarek.

Tyrystor w obudowie (tzw. press pack) i sama płytka krzemowa, która przełącza prąd.

Tak więc wszystkie przełączniki półprzewodnikowe o napięciu roboczym powyżej 1600 woltów są wykonane z krzemu, który został napromieniowany w reaktorze jądrowym - krzem domieszkowany jądrowo. Obecnie około 150 ton takiego krzemu rocznie produkuje się w dwudziestu napromienieniach, zwykle opartych na reaktorach badawczych. Producenci są rozproszeni po całym świecie, a rynek ten jest wart około 150 milionów dolarów rocznie i jest jednym z największych światowych rynków produktów izotopowych. W tym kilka rosyjskich reaktorów badawczych (Tomsk Polytech, NIFKhI, Mayak, RIAR) zapewnia około 10% światowych dostaw. Zazwyczaj organizacje będące właścicielami reaktorów współpracują z dostawcami krzemu, którzy przygotowują materiał źródłowy i zapewniają, że wlewki są cięte na wafle i sprzedawane.

Wlewek po napromieniowaniu i wyżarzaniu.

Krzem domieszkowany jądrowo (lub krzem domieszkowany transmutacją neutronów) jest ultraczystym krzemem, w którym niektóre z atomów izotopu 30Si są transmutowane w atomy fosforu 31P przez promieniowanie neutronowe z reaktora, tworząc przewodnictwo domieszki typu n. Tradycyjnie takie domieszkowanie tworzy się przez domieszanie bardzo małej ilości fosforu do stopionego krzemu, ale problem polega na tym, że w tym przypadku lokalne stężenie domieszki może różnić się o kilkadziesiąt procent od wartości średniej. W przełącznikach wysokonapięciowych taki rozrzut prowadzi do pojawienia się „gorących punktów”, w których zaczyna płynąć znacznie więcej prądu niż przeciętnie i przebija się tranzystor lub tyrystor. Domieszkowanie przez napromieniowanie neutronami pozwala niektórymi sztuczkami na osiągnięcie jednorodności lepszej niż 5% odchylenia od wartości średniej - czasami nawet lepszej niż 3%.

A to są urządzenia napromieniowujące duńskiej firmy Topsil, która jako pierwsza rozpoczęła komercyjną produkcję YALK pod koniec lat 70-tych.

W tym celu w reaktorze jądrowym umieszcza się sztabkę czystego, monokrystalicznego krzemu, osłoniętego w miarę możliwości przed promieniowaniem gamma i prędkimi neutronami, które niszczą strukturę kryształu. Dla standardowej wartości strumienia neutronów w reaktorach badawczych (od 10 12 do 10 14 neutronów na cm 2 na sekundę) uzyskanie określonej przewodności kryształu krzemu trwa od kilku godzin do dnia napromieniowania. W tym przypadku domieszkowanie następuje zgodnie z reakcją 30 Si + n -> 31 Si -> 31 P (okres półtrwania 2,6 godz.), a powstały krzem należy przechowywać przez kilka dni, aby jego radioaktywność spadła do bezpiecznego poziomu .

Zależność między dawką neutronów, przewodnością i wynikową zawartością domieszek w NLK

Podczas napromieniania wlewek jest obracany i przesuwany w górę iw dół w celu równomiernego oświetlenia neutronami. Ponadto w niektórych reaktorach dużej mocy stosuje się absorber profilujący kadm lub bor, który dodatkowo wyrównuje niejednorodność osiową strumienia neutronów.
Jednak obecnie istnieją niejądrowe metody stopowania krzemu, które umożliwiają uzyskanie jakości prawie jądrowej i wypierają NLK z obszaru 600-1600 woltów, gdzie wcześniej stosowano tylko krzem jądrowy. Jednak wyższe napięcia nadal nie podlegają metodom chemicznym, a w ramach ogólnego trendu wzrostu gęstości mocy napięcia energoelektroniki stale rosną, więc jest miejsce dla krzemowego NLK.

Różne technologie otrzymywania domieszkowanych płytek krzemowych (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ i jądrowa FZ-NTD) koncentrują się na różnych niszach, m.in. według napięcia, zdjęcie od wiodącego producenta krzemu Topsil

Ponadto analitycy przewidują wzrost zużycia NLK związany ze wzrostem liczby pojazdów elektrycznych z akumulatorem wysokonapięciowym (przy napięciu akumulatora 800 woltów stosowane są już przełączniki o napięciu roboczym 1600 woltów i wyższym, na podstawie NL krzem). Niektóre szacunki sugerują, że w ciągu najbliższej dekady rynek wzrośnie ze 150 do 500 ton i więcej. Dlatego w wielu nowo budowanych reaktorach na etapie projektowania układa się kanały do ​​produkcji krzemu domieszkowanego jądrowo, mając nadzieję w ten sposób na obniżenie kosztów reaktora dla podatników. Na przykład takie kanały będą w MBIR i.

Jednak na razie falownik Tesla Model S, który steruje 300-kilowatowym silnikiem, ma 84 tranzystory IGBT o napięciu roboczym 600 woltów, najprawdopodobniej niezwiązanych z krzemem domieszkowanym nuklearnie. Nie jest to jednak najbardziej zaawansowane rozwiązanie na dziś.

Tak więc „zielona elektryczna przyszłość” ludzkości jest nierozerwalnie związana z technologią jądrową, reaktorami jądrowymi i innymi straszliwie niezrównoważonymi dziedzictwem XX wieku.