Практическая работа №9 Анализ фазового равновесия на диаграммах состояния полупроводниковых систем





Цель работы ознакомление с основами фазового анализа, приобретение навыков работы с диаграммами состояния.

Рассмотрим конкретную диаграмму состояния полупроводниковой квазибинарной системы. Большинство двойных систем полупроводник – примесь являются системами с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге в расплавленном состоянии и с ограниченной растворимостью – в твердом состоянии. Для этой диаграммы HgTe-SnТе (рис. 9.1) характерны: эвтектика, полная нерастворимость компонент в твердом со­стоянии со стороны HgTe и твердый раствор (β) с ограниченной раство­римостью со стороны SnTe.

Рис. 9.1. Диаграмма состояния HgTe-SnТe

 

Основные фазовые области: а) однофазные – это жидкий раствор L и твердый раствор β; б) двухфазные области: (L + HgTe), (L + β), а также область существования смеси (HgTe s + β s). Линия на диаграмме, выше кото­рой все сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликви­дус, а линия, ниже которой заканчивается затвердевание – линией соли­дус. В конкретном случае линия ликвидус: Тпл (НgТе) – Э – Тпл (SnТе), а линия солидус Тпл (НgТе)cа – Тпл (SnTe).

Весь диапазон составов диаграммы HgTe-SnТе можно разделить на ряд подобластей по шкале составов: доэвтектические HgTe–Э, эвтектиче­ский – Э и заэвтектические (Э-а, а-в, в-SnТе). Каждый из них отличается от других по типу превращений в процессе охлаждения и затвердевания.

Рассмотрим наиболее характерные составы.

Кристаллизация доэвтектического сплава состава I. При охлаждении исходного расплава L до точки Т1, соответствующей равновесной температуре ликвидуса, начинается образование кристаллов. Чтобы опреде­лить, какое вещество начинает выделяться, необходимо через точку Т1 про­вести изотерму до пересечения с линией солидус. Для сплава I эта точка пересечения изотермы с линией солидуса соответствует составу чистого компонента HgTe.

Одним из важнейших методов физико-химического исследования полупроводниковых материалов является металлографический анализ. Он позволяет выявить детали структуры, минимальные размеры которых пре­вышают длину волны света. Исследование проводится на отшлифованных и отполированных срезах – «шлифах», протравленных полирующим и/или селективным травителем. Различный характер травления структур­ных составляющих приводит к появлению контраста, различимого в опти­ческом микроскопе по цвету, рельефу зерен и т.п. на поверхности шлифа. Этот фазовый анализ микроструктуры позволяет оценить интервал кон­центраций компонентов в соответствии с диаграммой состояния.

С помощью металлографического анализа решается и целый ряд количественных задач: определение доли структурной составляющей в объеме сплава, определение среднего размера частиц фазы или распределение их по размерам и др.

Фаза HgTe под микроскопом выглядит более темной, чем фаза β (рис. 9. 2). Кристаллизация протекает в интервале температур от Т1 до Т2 и заканчивается при температуре, соответствующей равновесной температу­ре солидуса. Происходит рост кристаллов HgTe, но состав твердой фазы не меняется. Состав жидкой фазы меняется по кривой ликвидуса и стремится к точке эвтектики. В конце кристаллизации при Тэ между кристаллами HgTe затвердевает остальная часть расплава в виде эвтектической смеси.

Рис. 9.2. Микроструктура доэвтектического (а), эвтектического (6) и заэвтектических (в, г) составов

 

Здесь наряду с понятием фаза вводится понятие структурных составляющих. Макроструктура сплава под микроскопом (рис. 9.2, а) будет представлена двумя структурными составляющими: крупными кристалла­ми HgTe (темные большие кристаллы на рис. 9.2, а), между которыми рас­положены вкрапления эвтектики (HgTe + β), которая является второй структурной составляющей.

Кристаллизация сплава эвтектического состава II (рис. 9.2, б) имеет некоторые особенности. Кристаллизация протекает при постоянной температуре, соответствующей точке эвтектики Тэ. Как видно из диаграммы, температура эвтектики является наименьшей температурой кристаллиза­ции во всей системе.

Кристаллизация начинается с одновременного зарождения кристал­лов двух твердых фаз HgTe и β и из однофазной (L) сразу становится трех­фазной (L, HgTe и β). Точка Тэ для эвтектического состава является равно­весной температурой ликвидуса и солидуса одновременно. Диаграмма со­стояния определяет состав эвтектики (47,5 % SnТе).

Охлаждение расплава L до Тэ приводит к полному затвердеванию эвтектической смеси. Эвтектика, таким образом, – система двухфазная, но представляет собой одну структурную составляющую. Микроструктура эвтектики – это мелкодисперсная однородная смесь кристаллов HgTe и β (точка а). На рис. 9.2, б структура эвтектики доминирует. Ниже Тэ эвтектическую смесь двух фаз по мере охлаждения либо не меняет состав своих компонентов для HgTe, либо для твердого раствора β меняет его по кривой а-в.

Сплав состава III (рис. 9.1) относится к заэвтектическому. Он кристаллизуется аналогично сплаву I, но отличается тем, что при охлаждении из жидкой фазы выделяются кристаллы твердого раствора β. После затвердевания на шлифе под микроскопом наблюдаются две структурные со­ставляющие: кристаллы β (светлые образования) и эвтектика, представ­ленная при детальном рассмотрении темными кристалликами HgTe и свет­лыми β (рис. 9.2, в).

Сплав состава IV (рис. 9.1) также относится к заэвтектическому. Од­нако при охлаждении после полного затвердевания этот состав проходит через линию вторичных превращений а-в. Рассмотрим его кристаллиза­цию подробнее. При охлаждении до ликвидуса T5 начинается выделение первичных кристаллов β, которые растут из жидкой фазы до Т6. При температуре Т6 происходит полное затвердевание с выделением твердого рас­твора, состав которого может быть охарактеризован точкой Т6. От температуры Т6 до Т7 происходит охлаждение без изменения состава β. С достижением температуры Т7, попадаем на линию вторичных превращений а-в, начинается частичный распад твердого раствора β: из пересыщенно­го твердого раствора выделяются вторичные кристаллы, точнее состав β изменяется по линии а-в, и при комнатной температуре соответствует точ­ке в. Такое изменение состава твердого раствора соответствует уменьше­нию в нем составляющей HgTe. Она выделяется при равновесной кристал­лизации из кристаллов β в виде второй фазы HgTe по границам зерен (рис. 9.2, г). Вследствие выделения новой фазы HgTe макроструктура пред­ставлена двумя структурными составляющими: в основном кристаллами β и вторичными выделениями HgTe на границах зерен.

Расплав состава V (например, 97 % SnTe на рис. 9.1) позволяет полу­чить при комнатной температуре однофазный твердый раствор SnHgTe. Действительно, расплав начнет кристаллизоваться при температуре Т8 с выделением фазы β. До Т9 продолжается рост кристаллов β, а после этой температуры происходит лишь охлаждение кристаллов первичного твер­дого раствора р, который сохраняет свой состав до комнатной температу­ры. Под микроскопом можно обнаружить только однофазную систему.

Перитектические превращения типичны для полупроводниковых систем. При перитектическом превращении происходит образование одной новой твердой фазы при взаимодействии двух других, полностью или частично исчезающих при этом. На диаграммах перитектические превраще­ния часто сочетаются с образованием нестойких химических соединений с «инконгруэнтным» плавлением. Рассмотрим диаграмму Si-C (рис. 9.3).

На этой диаграмме линия перитектики соответствует а-в-с, что сви­детельствует о постоянной температуре превращения. Следует разделить диапазоны составов: a-в, в, в-с, поскольку превращения для них различны.

При кристаллизации состава I (диапазон составов а-в) охлаждение до температуры перитектики 2830 оC приводит к тому, что первоначально образовавшиеся кристаллы С взаимодействуют с жидкой фазой, и образу­ется другая твердая фаза. Это описывает перитектическая реакция L+C→L+SiС.

Превращение происходит обычно с избытком одной из фаз, в данном случае жидкой L. Новой образующейся твердой фазой является SiC. Поче­му в процессе перитектического превращения уже выпавшие кристаллы С растворяются в той самой жидкой фазе, из которой они только что выде­лились? Это объясняется тем, что до температуры перитектики в равнове­сии друг с другом были только фазы L и кристаллы С, а начиная с темпе­ратуры перитектики, жидкая фаза может быть в равновесии также с кри­сталлами SiC. Выделяясь из жидкости, кристаллы SiC изменяют ее состав так, что жидкая фаза становится ненасыщенной в отношении С. Кристаллы С начинают растворяться, возвращая L к исходному составу. Этот процесс будет про исходить до тех пор, пока не растворятся все кристаллы С или пока не исчезнет вся жидкая фаза.

Рис. 9.3. Диаграмма состояния Si-С

 

В итоге микроструктура перитектики может быть более сложной, чем другие многофазные структуры. Это связано с тем, что взаимодействие жидкой и кристаллической фаз протекает на поверхности кристалликов, здесь же выделяется и новая кристаллическая фаза. Реально при сравнительно быстром охлаждении процесс изменения состава обычно не проте­кает до конца. Кристаллы первоначально выпавшей фазы содержат вкрап­ления возникающей при перитектическом превращении новой фазы, и оп­ределение структуры представляет затруднения.

Дальнейшее охлаждение системы связано с ростом кристаллов SiC, и при температуре 1408 оC происходит полное затвердевание с выходом на вырожденную эвтектику. Диаграмма содержит неустойчивое химическое соединение с «инконгруэнтным» плавлением – карбид кремния. Он разлагается при температуре – 2830 oС, не достигая максимума на кривой ликвидус, кото­рый на диаграммах характеризует Тпл устойчивого соединения.

Химическое соединение SiC может быть получено, судя по диаграм­ме (рис. 9.3), если охлаждается расплав исходного состава II. Карбид крем­ния SiC образуется в этом случае по перитектической реакции L+C→ SiC. Структура такого состава после охлаждения соответствует однофазной системе.

При кристаллизации состава типа III (диапазон составов в-с) внача­ле выделяется твердая фаза С. При охлаждении до температуры перитек­тики жидкая фаза исчезает, возникают две твердые фазы: L+C→ SiC+C.

Такая замена осуществляется простым диффузионным взаимодействием кристаллов углерода и карбида кремния.

Количественное соотношение твердых фаз С и SiC определяется пра­вилом отрезков: C/SiC = ad/dc и зависит, конечно, от выбора исходного сплава (рис. 9.3).

Превращение, аналогичное перитектическому, возможно в ряде по­лупроводниковых систем и после полного затвердевания как вторичное. В этом случае оно происходит с участием только твердых фаз и называется перитектоидным.

 

ЗАДАНИЕ

1. Проанализировать бинарные системы с эвтектикой, с вырожденной эвтектикой. Анализ диаграмм состояния сопровождать построением кривых охлаждения для наиболее характерных разрезов. По диаграмме состояния определить при заданных температурах состав фаз, находящихся в равновесии.

2. Проанализировать систему, в которой практически полностью отсутствует раство­рение в твердой фазе.

3. Проанализировать систему с перитектикой;

4. Проанализировать диаграмму состояния, содержащую область ограниченных твер­дых растворов.

5. На примере диаграмм состояния с простой эвтектикой и перитек­тикой показать и объяснить различие в микроструктурах образцов, равновесноохлажденных и закаленных от заданной температуры.





Читайте также:
Теория по геометрии 7-9 класс: Смежные углы – два угла, у которых одна...
Фразеологизмы и их происхождение: В Древней Греции жил царь Авгий. Он был...
Отчет по производственной практике по экономической безопасности: К основным функциональным целям на предприятии ООО «ХХХХ» относятся...
Термины по теме «Социальная сфера»: Общество — сумма связей, система отношений, возникающая...

Рекомендуемые страницы:



Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда...

Поиск по сайту

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.018 с.