ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Свободная конвекция в расплаве из "Тепло- и массообмен при получении монокристаллов" Свободная конвекция в условиях выращивания монокристаллов иолупроводпиков ио способу Чохральского исслсдована мало. В основном имеются лишь качественные описания движения расплава в этом режиме. При отсутствии вращения кристалла и тигля течение расплава благодаря действию сил гравитации подобно движению жидкости между двумя горизонтальными стенками, имеющими различную температуру. [c.65] Если температура верхней стенки меньше, чем температура нижней, то в жидкости возникает поток тепла, который направлен в сторону верхней стенки противоположно направлению действия силы гравитации. [c.65] Слои жидкости, прилегающие к верхней стенке, имеют более низкую температуру по сравнению со слоями жидкости, находящимися вблизи нижней стенки. Для жидкостей, плотность которых уменьшается с увеличением температуры, такое положение является неустойчивым. Это состояние не порождает конвективных потоков до тех пор, пока произведение критериев Грасгофа и Прандтля мало. Если это произведение достигает значения 1700, то возникают потоки свободной конвекции, имеющие своеобразную форму. Поле потока представляет собой ячеистую структуру. Внутри ячейки поток движется вверх и возвращается вниз по ее периферии. Такое состояние поддерживается до тех пор, пока величина произведения критериев Грасгофа и Прандтля не превысит значения 47000. Выше этой величины поток носит турбулентный характер. [c.65] Вероятно, аналогичные явления наблюдаются вблизи поверхности раздела фаз, так как расплав всегда перегрет относительно температуры кристаллизации. [c.65] Иллюстрацией к сказанному могут служить данные, приведенные в работе Каррудерса [15], которая, в частности, посвящена исследованию течения жидкости, моделирующей расплав, вызванному свободной конвекцией при отсутствии вращения тигля и кристалла. На рис. 22, а представлена схема такого потока. [c.65] Свободная конвекция приводит к образованию одной единственной ячейки, включающей в себя весь объем расплава. Горячая жидкость, как более легкая, поднимается вдоль стенок и опускается непрерывно вблизи его центра. [c.65] Таким образом, движение расплава благодаря свободной конвекции, особенно около поверхности раздела фаз, затухает как только кристалл начинает вращаться с относительно малыми скоростями. Наступает момент, когда по мере увеличения числа оборотов кристалла течение начинает контролироваться только его вращением, т. е. имеет место движение, которое подробно рассмотрено в главе II. [c.66] Другим интересным случаем движения расплава является возникновение свободной конвекции под действием центробежных и кориолисовых сил. Это явление проявляет себя наиболее сильно при вращении тигля и кристалла в одну сторону с равными скоростями. [c.66] На частицы жидкости, находящиеся во вращательном движении, действуют центробежные и кориолисо-вы силы, пропорциональные, в частности, плотности этих частиц. Если плотность жидкости меняется с из-мененим температуры, то величины этих сил будут зависеть от того, при какой температуре находится данная частица. [c.66] В изотермических условиях жидкость вращается как квазитвердое тело с одинаковой угловой скоростью. [c.66] Наличие неоднородного температурного поля создает в жидкости неоднородное поле плотности, которое благодаря действию центробежных н кориолисовых сил приводит к появлению в жидкости осевых и радиальных потоков. [c.67] Рассмотрим этот процесс более подробно. [c.67] По аналогии с изотермическим движением жидкости около вращающегося диска можно предположить, что осевая составляющая скорости течения расплава является функцией только координаты г, а радиальная и тангенциальная скорости линейно зависят от координаты г. Кроме того, будем считать, что функция, определяющая безразмерный профиль температур, также зависит от одной координаты т]. Последнее позволяет не учитывать действие гравитации, так как фронт кристаллизации расположен горизонтально, а температура расплава не зависит от радиальной координаты. [c.68] Из анализа этих выражений следует, что в гидродинамическом пограничном слое на поверхности вращающегося кристалла возникает радиальный поток расплава, направленный от оси вращения к его периферии. Вследствие этого под кристаллом появляется течение расплава, направленное к поверхности фронта кристаллизации. [c.69] Величина радиальной скорости пропорциональна угловой скорости вращения й, а осевая составляющая скорости — угловой скорости вращения в степени Уг. Обе эти скорости линейно зависят от параметра е. [c.69] Этот поток так же, как при вынужденной конвекции,, увеличивается с ростом угловой скорости вращения кристалла пропорционально К Й, Влияние параметра у, в который входит скорость кристаллизации Шк, таково, что с увеличением последней величина теплового потока возрастает. [c.70] Вернуться к основной статье