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

Коэффициент преломления кремния в зависимости от длины волны

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.