Напівпровідники - речовини, які мають електронну провідність, а за величиною електропровідності займають проміжне положення між хорошими провідниками (метали) і ізоляторами (діелектрики). Типовими напівпровідниками є, наприклад, германій і кремній. Величина електропровідності напівпровідників сильно залежить від температури. Під дією світла електропровідність деякихнапівпровідників підвищується; такі матеріали іноді називаються фотопровідника. Властивості напівпровідників дуже чутливі також до досконалості їх кристалічної решітки і до наявності домішок. У деяких випадках присутність домішки в найменшій концентрації (наприклад, 10 -6 або 10 -7) виявляється вирішальним фактором, який визначає електричні властивості напівпровідника [9]. Ці унікальні якості напівпровідникових матеріалів забезпечили найширше їх використання практично у всіх областях науки і техніки.
Виробництво напівпровідникових матеріалів в космосі може дати помітні переваги з кількох причин. По-перше, властивості цих матеріалів сильно залежать від технології їх приготування, причому багато небажані ефекти викликані проявом сили ваги (конвекція в розплаві, розшарування компонентів різної щільності і т. П.). По-друге, в космічних умовах може бути значно підвищена однорідність розподілу легуючої домішки в напівпровіднику.
Перейдемо до розгляду конкретних технологічних експериментів, спрямованих на реалізацію зазначених переваг виробництва в космосі напівпровідникових матеріалів.
Вирощування монокристалів з розплавів. Дефекти напівпровідникових монокристалів при їх вирощуванні з розплаву виникають через появу в розплаві конвекційних течій різного типу, а також з-за надходження в нього небажаних домішок. Для вирощування монокристалів з розплаву необхідний перепад температури, а при цьому на Землі часто виникає термічна конвекція. Конвекційні течії ведуть до появи місцевих пульсацій температури в рідині, а за рахунок того, що розчинність домішки в розплаві залежить від температури, - і до неоднорідного розподілу домішки в зростаючому кристалі. Це явище, обумовлене конвекцією, називається полосчатостью, або мікросегрегаціей. Полосчатость є одним з дефектів структури напівпровідникових монокристалів. Завдяки можливості зменшити роль конвекції в космосі очікують, що монокристали, вирощувані на борту КА, будуть мати більш однорідною структурою.
Для оцінки впливу конвекційних течій на явище сегрегації на прикладі монокристалів германію, легованого домішками, на станції «Скайлеб» був поставлений такий експеримент. Встановлені в ампулах кристали розміщувалися в електронагрівальної печі, де вони спочатку частково розплавляється, а потім в умовах майже постійного перепаду температур холоднішими і закрісталлізовивалісь. Як легуючі домішок в різних ампулах використовувалися галій, сурма і бор. Порівняння з контрольними зразками, отриманими тим же способом на Землі, показало, що сегрегація домішок в кристалах германію, доставлених з космосу, виявилася в кілька разів менше. У разі германію, легованого галієм, досліджена також відносна однорідність питомого опору матеріалу по довжині зразка. Для земних зразків вона становила? ? /. 6,4 · 10 -2. а для космічних - 0,8 · 10 -2.
В інших експериментах на станції «Скайлеб» були отримані монокристали антімоніда індію. У першому з них стрижень з антімоніда індію встановлювався всередині графітової капсули таким чином, щоб його вільний кінець опинявся в порожнистої півсфері. Мета експерименту - спроба отримати кристали сферичної форми. Однак через те, що розплав частково прилип до графітової стінці порожнини, форма отриманих кристалів виявилася не сферичної, а краплеподібної. Однак структура кристалів стала більш досконалою: щільність дислокацій [10] зменшилася в 5 - 10 разів, а домішка (селен) була розподілена більш рівномірно, ніж в контрольних зразках, отриманих на Землі.
Інший експеримент полягав в переплавки і подальшому твердінні зразків антімоніда індію, які перебувають в трьох запаяних ампулах: в одній - чистий антимонід індію, в іншій - легований телуром, в третій - легований оловом. Дослідження отриманих кристалів також показали їх високу однорідність.
У ряді експериментів досліджувалася можливість отримання з розплавів напівпровідникових матеріалів складаються з сильно розрізняються за питомою вагою компонентів. Наприклад, в одному експерименті, виконувати при спільному польоті кораблів «Союз» і «Аполлон», досліджувався вплив невагомості на спрямоване затвердіння напівпровідникових матеріалів. Використовувалися пари свинець-цинк і сурма-алюміній. Космічні зразки сплаву сурма-алюміній виявилися більш однорідними в порівнянні з земними. У разі сплаву свинець-цинк повної однорідності досягти не вдалося.
Вирощування монокристалів з розчинів. Якщо в пересичений розчин потрібного речовини ввести затравочний кристалик, то на ньому буде відбуватися зростання кристала в умовах постійної температури. Таким методом вирощують кристали, що знаходять застосування в якості детекторів звукових хвиль, в оптиці і т. Д. Зростаючий кристал чуйно реагує на будь-які зміни умов зростання: коливання температури і концентрації, виникнення конвекційних течій, наявність сторонніх домішок і т. П. Зміна умов збудження конвекційних течій в розчині, інша поведінка домішок в невагомості будуть впливати на особливості росту кристалів на борту космічних апаратів.
Результати експериментального дослідження особливостей вирощування кристалів алюмокалієвих квасцов з їх пересичені водного розчину, яке було проведено на станції «Салют-5», викладені в попередньому розділі.
Вирощування кристалів з парової фази. Вирощування кристалів парофазовим методом широко використовується для отримання зпітаксіальних плівок напівпровідникових матеріалів. Принципова схема пристрою для вирощування кристалів з парової фази була показана на рис. 5. У звичайних умовах метод чутливий до порушення конвекції, яка веде до виникнення дефектів кристалічної решітки. Крім того, існує тенденція до полікрісталлізаціі, великі кристали цим (методом на Землі отримувати важко. У космічних умовах можна розраховувати на обмеження ролі конвекції і поліпшення якості одержуваних матеріалів, а також на збільшення розмірів монокристалів.
Очікувані ефекти були також досліджені в експерименті на станції «Скайлеб». Техніка вирощування кристалів з парової фази була застосована до селеніди і телуриду германію. Були отримані кристали, якість яких виявилося вище, ніж у контрольних зразків, приготованих на Землі. Вдалося отримати плоскі монокристали селеніду германію розміром 4. 17 мм і товщиною близько 0,1 мм. На Землі були отримані лише дрібні кристалики з недосконалою структурою.
З урахуванням цих результатів при спільному польоті кораблів «Союз» і «Аполлон» був поставлений такий експеримент. Тут техніка вирощування кристалів з парової фази була застосована до більш складних систем: германій-селен-телур і германій-сірка-селен. Зразки, отримані в космічних умовах, також виявилися більш досконалими, а їх структура більш однорідною.
Примітки:
Масові, або об'ємні, сили - це сили, які діють на всі частинки (елементарні обсяги) даного тіла і величина яких пропорційна масі.
Додавання домішок в напівпровідник для зміни його властивостей називається легуванням, а сама домішка - легирующей, або лігатурою.