尺寸被優化以獲得所需晶片的高產量.生長高純度石英晶體時,鋁,堿金屬和其他雜質含量特別低,缺陷最小;少量堿金屬增加了對電離輻射的抵抗力.用于切割音叉32.768K的手表晶體以非常低的蝕刻通道密度生長.
用于聲表面波器件的晶體生長成扁平的,具有大尺寸的籽晶和低蝕刻通道密度.
用于高度穩定振蕩器的特殊高品質晶體以恒定的低速生長,并且沿整個Z軸具有恒定的低紅外吸收.晶體可以生長為Y-棒,籽晶為棒形并沿Y軸伸長,或者生長為Z-板,由具有Y軸方向長度和X軸寬度的板籽晶生長而成.籽晶周圍的區域含有大量晶體缺陷,不應用于晶片.
現代石英表中使用的音叉晶體簡單的石英晶體雜質.雜質對晶體的輻射硬度,孿晶敏感性,過濾損失以及長期和短期穩定性有負面影響.不同方向的不同切割種子可以提供其他種類的生長區域.由于水分子在晶體表面的吸附作用,X方向的生長速度最慢;鋁雜質抑制了另外兩個方向的生長.鋁含量在Z區最低,在+X區較高,但在-X區較高,在S區最高;隨著鋁含量的增加,硫區域的尺寸也增大.氫含量在Z區最低,在+X區較高,但在S區較高,在X區最高.鋁夾雜物通過γ射線照射轉變成色心,導致晶體變暗,與雜質的劑量和水平成正比;
不同黑暗區域的存在揭示了不同的生長區域.石英晶振中主要的缺陷是晶格中的鋁原子取代硅原子.鋁離子附近有一個相關的間隙電荷補償器,它可以是氫離子(附著在附近的氧上并形成羥基,稱為氫氧化鋁缺陷),鋰離子,鈉離子,鉀離子(不太常見),或捕獲在附近氧原子軌道上的電子空穴.生長溶液的組成決定了鋁缺陷的電荷補償離子,無論它是基于鋰還是鈉堿化合物.離子雜質受到關注,因為它們沒有牢固結合,并且可以遷移通過晶體,改變晶體的局部晶格彈性和共振頻率.
關注的其他常見雜質有例如鐵(ⅲ)(間隙),氟,硼(ⅲ),磷(ⅴ)(替代),鈦(ⅳ)(替代,普遍存在于巖漿石英中,在熱液石英中不太常見)和鍺(ⅳ)(替代).鈉離子和鐵離子會導致鈣鎂石和鈣鎂石晶體的夾雜物.水的內含物可能存在于快速生長的晶體中;晶種附近有大量間隙水分子.另一個重要的缺陷是含氫生長缺陷,當形成一對氧化硅基團而不是氧化硅結構時;
本質上是水解鍵.快速生長的晶體比慢速生長的晶振含有更多的氫缺陷.這些生長缺陷來源于為輻射誘導過程提供氫離子和形成氫氧化鋁缺陷.鍺雜質傾向于捕獲輻射過程中產生的電子;堿金屬陽離子然后向帶負電荷的中心遷移并形成穩定絡合物.基體缺陷也可能存在;氧空位,硅空位(通常由4個氫或3個氫和一個空穴補償),過氧基團等.一些缺陷在禁帶中產生局部能級,用作電荷陷阱;鋁(ⅲ)和硼(ⅲ)通常用作空穴陷阱,而電子空位,鈦,鍺和磷原子用作電子陷阱.俘獲的電荷載流子可以通過加熱釋放;它們的重組是熱釋光的原因.
間隙離子的遷移率強烈依賴于溫度.氫離子在10K以下是可移動的,但是堿金屬離子只有在200K左右和以上的溫度下才會移動.羥基缺陷可以通過近紅外光譜測量.俘獲的空穴可以通過電子自旋來測量共振.鋁鈉離子缺陷由于應力誘發的運動表現為聲損耗峰;鋁鋰+缺陷不會形成勢阱,因此無法通過這種方式檢測到.一些輻射誘發的缺陷在熱退火過程中產生熱釋光;可以區分與鋁,鈦和鍺相關的缺陷.
掃描晶體是經過固態電擴散純化過程的壓電晶體.清掃包括在無氫氣氛中加熱晶體至500℃以上,電壓梯度至少為1kV/厘米,持續數小時(通常超過12小時).雜質的遷移和堿金屬離子逐漸被氫(當在空氣中掃過時)或電子空穴(當在真空中掃過時)取代,導致微弱的電流通過晶體;該電流衰減到恒定值表示該過程結束.然后讓晶體冷卻,同時保持電場.雜質是集中在晶體的陰極區域,然后將其切斷并丟棄.掃描晶體具有增強的抗輻射能力,因為劑量效應取決于堿金屬雜質的水平;它們適用于暴露于電離輻射的裝置,例如核技術和空間技術.在更高的溫度和更高的場強下真空掃描產生更多抗輻射晶體.雜質的含量和性質可以通過紅外光譜測量.
石英可以在α相和β相掃描;β相掃描速度較快,但相變可能誘發孿晶.孿晶可以通過在晶體冷卻通過相變溫度區域的同時,使晶體經受沿X方向的壓縮應力或沿X軸的交流或DC電場來減輕.
掃描也可以用來將一種雜質引入晶體.鋰,鈉和氫掃掠晶體用于例如研究石英行為.
用于高基模頻率的非常小的晶體可以通過光刻法制造.
晶體可以通過激光微調調整到精確的頻率.業余無線電世界中用于輕微降低晶體頻率的技術可以通過將具有銀電極的晶體暴露于碘蒸汽中來實現,碘蒸汽通過形成銀薄層而導致表面質量輕微增加碘化物;然而,這種晶體具有有問題的長期穩定性.另一種常用的方法是電化學增加或減少銀電極的厚度,方法是將諧振器浸沒在溶于水的青金石,溶于水的檸檬酸或含鹽的水中,并將諧振器用作一個電極,將小銀電極用作另一個電極.
不建議通過刮除部分電極來提高頻率,因為這可能會損壞晶體并降低其品質因數.電容微調器也可用于振蕩器電路的頻率調整.
可以使用石英以外的一些其他壓電材料.這些包括鉭酸鋰,鈮酸鋰,硼酸鋰,硼化鋰,砷化鎵,四硼酸鋰,磷酸鋁,氧化鉍鍺,多晶鈦鋯陶瓷氧化鋁陶瓷,硅氧化鋅復合材料或酒石酸二鉀.有些材料可能更適合特定應用.振蕩器晶體也可以通過在硅片表面沉積諧振器材料來制造.磷酸鎵,硅酸鎵,硅酸鎵和硅酸鎵的晶體比相應的石英晶體具有大約10倍的可拉性,并用于一些VCXO振蕩器.
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