三、稳态温场

如果炉膛中的温场为稳态温场，则炉膛内的温度只是空间位置的函数，而不随时间而变化。因而在稳态温场中能生长出性能完全均匀的优质晶体，故人们总是通过各种方式力图在生长过程中的等径阶段建立起稳态温场。

值得注意的是，单晶炉内的温场中总是存在温度梯度的，因而也是存在热流的。这些热量时时刻刻从炉膛流向并耗散于周围环境中。我们将单位时间内耗散于环境中的热量称为热损耗。于是由能量守恒定律可推知，如果炉膛内单位时间所产生的热量大于热损耗，炉温就要上升，反之炉温就要下降。这些情况下的温场都不是稳态温场，只当炉膛内单位时间产生的热量等于热损耗，才能使炉温保持不变，从而建立稳态温场。

一般说来，炉膛中单位时间产生的热量是来自加热功率和晶体生长时所释放的结晶潜热（latent heat）。而热损耗的途径却是多种多样的，图1-3表明了感应加热的锗单晶炉在生长过程中应该考虑的各种热损耗[3]。该单晶炉采用的是石墨坩埚，其直径为6cm，高为4cm，坩埚与夹层水冷石英管间的距离为0.2cm，坩埚中锗熔体的温度为936℃，炉中气氛是氢气，晶体的直径为1cm，生长速率为3.6cm/h。由图可知，炉膛中热量有两个来源：其一是在交变电磁场中石墨坩埚中因感应电流而产生的焦耳热（2090W），其二是结晶潜热（10W），总共2100W。热损耗也分为两类，即传导以及对流与辐射损耗，其具体数值及其在总损耗中所占百分比分别表示于图中。由图1-3可知，由于灼热的坩埚、熔体和晶体与夹层水冷石英管间没有辐射挡板，因而辐射损耗较大（860W）；同样由于炉中没有保温层，因而通过炉中气氛（氢气）的对流和传导耗散于夹层水冷石英管中的功率是1240W。故总的热损耗是2100W。显然，该单晶炉中单位时间内产生的热量与热损耗相等，故炉中的温场是稳态温场。

图1-3　感应加热Ge单晶生长过程中各种热损耗及其在总损耗中所占的百分比[3]