Titel des Textes - Institut für Experimentelle Kernphysik

2. Physikalische Grundlagen
2.2.3. Herstellungsverfahren
Zonenschmelzverfahren
Beim Zonenschmelzen (floatzone) wird ein vorbereiteter Siliziumstab mit noch polykristalliner
Struktur in einer Schutzatmosphäre an einem Ende durch eine Induktionsheizung
in die Schmelze übergeführt. Diese Schmelze wird mit einem Impfkristall in Kontakt gebracht,
so dass das Silizium monokristallin am Impfkristall erstarrt. Die Schmelzzone
wandert nun langsam den Stab entlang und ordnet auf diese Weise die Kristallstruktur
des Stabes um. Verunreinigungen haben eine höhere Tendenz sich in der Schmelze als im
Festkörper aufzuhalten und wandern daher mit der Schmelzzone mit. Es lässt sich mit
dem Zonenschmelzverfahren also eine sehr hohe Reinheit erreichen, im Besonderen, wenn
man das Verfahren mehrmals anwendet. Von Nachteil ist allerdings der hohe Preis, da
das Verfahren recht aufwendig ist.
Dotierungen können durch Zusatz von Gasen in die Schutzatmosphäre erreicht werden,
welche dann in die Schmelze eindiffundieren.
Magnetic-Czochralski-Verfahren
Beim Czochralksi-Verfahren führt man zunächst polykristallines Silizium in die Schmelze
über. Anschließend wird ein Impfkristall von oben mit der Schmelze in Berührung
gebracht und anschließend unter Drehen wieder herausgezogen. Die Schmelze erstarrt
entsprechend der Kristallstruktur des Impfkristalls. Das Czochralski-Verfahren erreicht
nicht die Reinheit des Zonenschmelzverfahrens, ist jedoch weniger aufwendig.
Legt man ein Magnetfeld an den Prozess an, können dadurch Schwingungen in der
Schmelze gedämpft und die Reinheit des Materials erhöht werden. Man spricht dann von
Magnetic-Czochralksi-Material.
2.3. Lorentzwinkel
Auf die Ladungsträger im Inneren eines im Detektor eingebauten Siliziumsensors wirken
verschiedene Kräfte. Dies ist zum Einen natürlich das angelegte elektrische Feld, welches
nahezu vollständig über der Depletionszone anliegt und dort die erzeugten Ladungsträgerpaare
trennt und zu den jeweiligen Ausleseseiten beschleunigt. Die elektrischen Feldlinien
verlaufen über große Bereiche der Depletionszone hinweg parallel zueinander und senkrecht
zur Detektorfläche. Somit werden die Ladungsträger auf geraden Bahnen entlang
der Feldlinien beschleunigt. Desweiteren erzeugt der Magnet des Detektors ein starkes
Magnetfeld, welches auch den Sensor durchsetzt und dessen Feldlinien senkrecht zur Beschleunigungsrichtung
der Ladungsträger stehen. Somit erfahren die Ladungsträger auch
eine Kraft senkrecht zu ihrer Flugbahn. Für die Kraft auf die Ladungsträger gilt
F =q E +vD× B
−m ∗vD q . (2.19)
τ
Der erste Term ist die Lorentzkraft und beschreibt die Kraft auf einen Ladungsträger
mit Ladungqim elektrischen Feld E und im magnetischen Feld B. Der zweite Term
beschreibt Relaxation durch punktuelle Stöße am Gitter, dabei istm∗ q die effektive Masse
des Elektrons bzw. Loches undτ die Relaxationszeit. Durch die Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung
driften die Elektronen nicht mehr parallel zu den elektrischen Feldlinien
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