Истинските химикали, с които на практика трябва да се справите, и дори свръхчистите кристали на елементарни полупроводници Ge и Si, винаги съдържат остатъчни примеси, тоест винаги са вещества, състоящи се от няколко химични елемента. Взаимодействията на химичните елементи, които съставляват даден материал, могат да бъдат много сложни. Конкретният резултат от това взаимодействие зависи от кристално -химичната природа на взаимодействащите елементи, тяхната концентрация, както и от външни фактори - температура и налягане.

Основните средства за изобразяване на резултатите от взаимодействието на химични елементи или съединения, които образуват дадено вещество, са диаграми на състоянието на системата. Диаграмата на състоянието показва стабилни състояния, тоест състояния, които при дадени условия имат минимум свободна енергия. Следователно диаграма на състоянието може да се нарече и диаграма на фазово равновесие, тъй като показва кои фази на равновесие съществуват при дадени условия. В съответствие с това промените в състоянието на системата, които са отразени в диаграмата, се отнасят до равновесни условия, тоест при липса на хипотермия или пренасищане в системата. Фазовите трансформации обаче не могат да настъпят при равновесни условия (виж по -долу), така че фазовата диаграма е теоретичен случай. Независимо от това, ролята на фазовите диаграми за разбирането на естеството и резултатите от взаимодействието на различни химикали и прогнозирането на тези резултати е изключително важна, тъй като естеството на взаимодействието определя свойствата на получения материал. На практика фазовите диаграми се използват за разглеждане на трансформации при ниски скорости на охлаждане или нагряване.

Диаграма на състояниетосистема се нарича геометрично изображение на равновесни фазови състояния на една или многокомпонентна термодинамична система в зависимост от параметрите, които определят тези състояния (концентрация, температура, налягане).

Нека да дефинираме някои понятия, използвани при описанието на диаграмите на състоянията.

Термодинамична системасе нарича тяло с макроскопични размери (съвкупност от тела), между отделните части на които (между

за които) е възможно пренос на топлина и дифузия на поне един от компонентите на системата и за които (които) са валидни принципите на термодинамиката.

Термодинамичните системи се делят на хомогеннаи разнородни. ХомогеннаНаречен термодинамична система, вътре в които няма интерфейси между фазите, разделящи частите на системата една от друга, които биха се различавали или по кристалната структура, или по техните физически и химични свойства. Хетерогеннисистемата се състои от части, които имат различни структури или различни физико -химични свойства и са разделени една от друга чрез интерфейси. Пример за хетерогенна система е водата,

в равновесие с пара.

Фазае хомогенна система или система, която е съвкупност от хомогенни системи, които са идентични по кристална структура и физико -химични свойства, отделени една от друга чрез интерфейси. В горния пример фазите са вода и пара, които се различават например по плътност.

Интерфейсите между фазите са слоеве с крайна дебелина, в които поне един от параметрите на системата се променя в посока от една фаза към друга. Интерфейсите между фазите по отношение на съседните фази имат излишна енергия (енергия на повърхностно напрежение).

За твърдите тела най -важната характеристика на една фаза е нейната кристална решетка.1 Всяка твърда фаза има своя собствена присъща кристална решетка, която се различава от решетките на други фази или по вид, или по параметри. Твърдата кристална фаза може да бъде получена под формата на монокристал или поликристал, който представлява колекция от зърна или кристалити. Кристалити на поликристал, различно ориентирани в пространството, са разделени един от друг чрез интерфейси в няколко атомни слоя (виж гл. 3). Очевидно е, че границите на зърната не са междуфазни граници.

Термодинамичните системи могат да бъдат еднокомпонентни или многокомпонентни.

Системният компонентсе нарича част от системата, чийто брой може да варира независимо от броя на другите части. В нашия случай компонентите на системата могат да бъдат химични елементи или съединения. Най -общо броят на системните компоненти може да не е

1 По принцип твърдата фаза може да бъде и аморфна или стъклена. И двете фази се характеризират с липсата на далечен ред в подреждането на атомите, по-скоро наподобяващи течност. Тук ще разгледаме само кристални материали.

Ориз. 4.1. Диаграма на състоянието на системата Ge - Si.

е равен на броя на различните химични елементи в системата. Например водата (H2O) се състои от водород и кислород, но това е еднокомпонентна система. На фиг. 4.1 и фиг. Фигура 4.2 показва диаграмите на фазовото равновесие на две характерни двукомпонентни (двоични) полупроводникови системи - Ge - Si и InSb - AlSb. Компонентите на системата в първия случай са Ge и Si, а във втория InSb и AlSb, а не Sb, Al, In, тъй като количеството In и Al в системата зависи от количеството Sb, а количеството на InSb не зависи от количеството на AlSb. Ето защо брой компоненти на систематае минималният брой химикали, необходим за образуването на всяка фаза на дадена система.

Термодинамично равновесното състояние на системата е такова състояние, при което параметрите на това състояние не се променят с течение на времето и в системата няма потоци от какъвто и да е тип.

Равновесното състояние на системата може да бъде еднофазно, двуфазно и многофазно. Когато се смесват две или повече твърди фази, твърди разтвори, съединения и механични смеси... Последното се реализира, ако тези фази не взаимодействат помежду си. Фазите, образуващи смес, могат да бъдат елементи, съединения или твърди разтвори на тяхна основа, както и алотропни модификации на същия химичен елемент (α и β-калай и др.). Максимално възможният брой фази в равновесие се определя от правилото за фазите на Гибс. Правилото за фазата установява връзката между

Ориз. 4.2. Диаграма на състоянието на системата InSb - AlSb.

по броя на фазите, компонентите и степента на свобода на системата:

° С= к− е+ 2, (4.1)

където ° С- броя на степента на свобода на системата, к- броя на системните компоненти, е- броя на фазите в системата.

Под брой степени на свободасистемите разбират броя на външните и вътрешните параметри (температура, налягане и концентрация), които могат да се променят, без да се променя броят на фазите в системата. Ако броят на степента на свобода е нула, тогава външните и вътрешните параметри на системата не могат да се променят, без да се причини промяна в броя на фазите. Ако броят на степента на свобода е равен на единица, тогава е възможна промяна в някои граници на един от параметрите и това няма да доведе до намаляване или увеличаване на броя на фазите.

Например, разгледайте случая на кристализация на чисто вещество (елементарен полупроводник) при постоянно налягане. В този случай правилото на Гибс приема формата ° С= к− е+ 1.2 Когато полупроводник

е в течно състояние, т.е. е= 1, броят на степента на свобода е 1 ( ° С= к− е+1 = 1 - 1 + 1 = 1). Температурата в този случай може да бъде

промяна без промяна на състоянието на агрегиране. В момента на кристализация

е= 2 (две фази - твърда и течна), ° С= к− е+1 = 1 - 2 + 1 = 0. Това

означава, че двете фази са в равновесие при строго определени

2 Независимите променливи в уравнението на Гибс са концентрация, температура и налягане. Ако налягането е постоянно, тогава броят на променливите в уравнението ще намалее с една.

температура (точка на топене) и тя не може да бъде променена, докато една от фазите не изчезне (сайт се появява на графика температура-време T= const, чиято дължина ще бъде равна на времето от началото до края на кристализацията). Източник на поддръжка постоянна температурав този случай е изключителен латентна топлина на кристализацияравна на разликата между топлинното съдържание на старата и новата фаза. След приключване на кристализацията в системата остава само една твърда фаза, т.е. температурата може отново да се промени (намали), без да се променя броят на фазите.

Диаграмите на състоянието изобразяват фазовия състав на системата при различни концентрации на компонентите х, температури Tи натиск P... Диаграмите на състоянието обикновено са пространствени. Размерът на пространството зависи от броя на независимите променливи, чиято функция е фазовият състав. Тези променливи са координатите, в които е построена диаграмата. Най-простият тип фазова диаграма характеризира състоянието на чист еднокомпонентен материал в зависимост от налягането и температурата, например добре известната диаграма на състоянието на водата. Ние обаче няма да разглеждаме такива еднокомпонентни системи, а веднага пристъпваме към разглеждане на многокомпонентни системи, тъй като за получаване на полупроводници се използват многокомпонентни диаграми. Най-често такива диаграми се нанасят в координатите на температурата и концентрацията ( T− х). V

В този случай за двоични (двукомпонентни) системи диаграмите се изобразяват в равнина. За тройни (трикомпонентни) системи диаграмите се изграждат в триизмерно пространство и т. Н. Ако освен температурата, налягането също е променлива, тогава дори за двоични системи диаграмите стават триизмерни ( P− T− хдиаграми). По -нататък ще разглеждаме главно само двоични системи, изградени по координати T− х... Тази глава обаче ще разгледа и P− T− хдиаграми на някои полупроводникови двоични системи, които имат голямо практическо значение.

Обикновено концентрацията в диаграмите се изразява в тегловни или молни фракции на един от компонентите или в атомни проценти. Следователно, зоната на промяна на концентрацията, нанесена върху оста х, е ограничен и се простира от нула до един или до 100%. За полупроводникови системи, заедно с диаграми, изградени по линейна скала, понякога се нанасят диаграми, в които концентрацията на компонент се отлага в атоми на кубичен сантиметър или в атомни проценти, но се използва логаритмична скала. Това се дължи на факта, че като правило ограничаващата разтворимост (вж. Гл. 7) най -много

Ориз. 4.3. Диаграма на състоянието на системата Si - Au с различни мащаби по оста на концентрацията (в областта, съседна на полупроводника, атомните проценти на легиращия компонент се нанасят в логаритмична скала и след това концентрацията в атомни проценти се нанася върху линейна мащаб).

Количеството елементи (примеси) в полупроводниците в твърдо състояние е малко (по -малко от 0,1 at.%) И действително използваното легиране в концентрация е 1015–1019 атома / cm3, тоест 10–5–10–2 at. % (виж фиг. 4.3).

Фазовите диаграми на състоянието предоставят информация за естеството на фазите и фазовия състав на системата при промяна на концентрацията на един или повече компоненти, температура и налягане. Използвайки диаграми на равновесно състояние за тези условия, е възможно да се определи: 1) броят на фазите в системата; 2) съставът на всяка фаза, нейната природа (елементарно вещество, съединение, твърд разтвор) и условията, при които се образува; 3) относителното количество на всяка от фазите.

Фазовите диаграми са изградени въз основа на данни от физически и химически анализи. Този анализ се основава на експерименталното изследване на зависимостите физични свойствана параметри като концентрация, температура, налягане. Познаването на тези зависимости позволява да се установи естеството на фазите и границите на тяхното съществуване. Най -често използваните методи за нанасяне на диаграми на състоянието са термографски и дилатометрични методи. Тяхната същност се крие във факта, че за сплав от даден състав температурите на фазовите трансформации се определят от рязкото изменение на енталпията З(съдържание на топлина) или обем Vсистема, фиксирана върху кривите температура-време (температурата се отбелязва на равни интервали) или температура-обем в процеса на охлаждане или нагряване на сплавта. След като по този начин се определят точките на фазови трансформации за сплави с различен състав на дадена система, е възможно да се изгради цялата фазова диаграма. Тези методи определят само фазови трансформации от първи вид. Тези преходи трябва да се разграничат от фазови преобразувания от втори ред (феромагнитно-парамагнитно състояние, свръхпроводящо-не свръхпроводящо, подредено-неупотребено), придружени от подобна на скок промяна в коефициента на свиваемост и специфичната топлина. В този случай се изграждат диаграми състав-свойство или за даден състав диаграми свойства-температура и т.н.

Анализ на фазовите диаграми

Двуфазните линии, като правило, или свързват две тройни точки, или тройна точка с точка на ординатата, съответстваща на нулевото налягане. Изключение е тръбата за течен газ, която завършва в критична точка. При температури над критичните разликата между течност и пара изчезва.

Секции и проекции на диаграми на двоични системи

Диаграми на температурен състав

Диаграми на двоична система

Неограничена разтворимост в твърдо състояние

Евтектични и евтектоидни трансформации

Сплави, които образуват химични съединения

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво представлява „Фазова диаграма“ в други речници:

- (вижте СТАТУСНА СХЕМА). Физически енциклопедичен речник. М.: Съветска енциклопедия. Главен редакторА. М. Прохоров. 1983. ФАЗОВА ДИАГРАМА ... Физическа енциклопедия

Същото като диаграмата на състоянието ... Голям енциклопедичен речник

фазова диаграма- Термодинамична диаграма, в която налягането и температурата са нанесени по координатните оси и са нанесени кривите на фазовото равновесие. [Колекция от препоръчителни термини. Брой 103. Термодинамика. Академия на науките на СССР. Научно -технически комитет ... ... Ръководство за технически преводач

ФАЗНА ДИАГРАМА, графично представяне на условията, при които има различни равновесни ФАЗИ на дадено вещество. Например, кривата на ТОПЛИВНА ТЕМПЕРАТУРА спрямо НАПРАВЛЕНИЕ за чисто твърдо вещество разделя диаграмата на две. Точки в едно ....... Научно -технически енциклопедичен речник

фазова диаграма- етапų pusiausvyros diagrama statusas T sritis Standartizacija ir metrology apibrėžtis Termodinaminės sistemos phaseų pusiausvyros grafinis vaizdas. atitikmenys: англ. диаграма на фазовото равновесие; термодинамична фазова диаграма vok ... ...

фазова диаграма- Фазова диаграма Фазова диаграма (диаграма на състоянието) Графично представяне на връзката между параметрите на състоянието на термодинамично равновесна система (температура, налягане, състав и т.н.). Фазовата диаграма ви позволява да определите ... ... Обяснителен англо-руски речник по нанотехнологии. - М.

Фазова диаграма Фазова диаграма. Графично представяне на критичните температури и фазовите граници в система от сплав или керамика по време на нагряване или охлаждане. Фазовата диаграма може да бъде равновесна диаграма ... ... Металургичен речник

Същото като диаграмата на състоянието. * * * ФАЗНА ДИАГРАМА ФАЗНА ДИАГРАМА, същата като диаграмата на състоянието (вижте ДЪРЖАВНА СХЕМА) ... енциклопедичен речник

Термин фазова диаграма Английски термин фазова диаграма Синоними на диаграма на състоянието Съкращения Свързани терминикритична температура на образуване на мицели, спинодално разлагане Определяне на графично представяне на състояния ... ... Енциклопедичен речник на нанотехнологиите

фазова диаграма- етап на диаграма статус като T sritis Стандартизация и метрология apibrėžtis Daugiafazės termodinaminės sistemos būsenų диаграма. atitikmenys: англ. фазова диаграма vok. Gleichgewichtsdiagramm, n; Phasendiagramm, n; Zustandsdiagramm, n; ... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Книги

• Физика и химия на волфрамовите карбиди, Александър Иванович Гусев. Монографията излага състояние на техникатафундаментални изследвания на волфрамовите карбиди, широко използвани в технологиите. Симетричен анализ на разстройството - ред и ...

Ориз. 1 Диаграма на състоянието на еднокомпонентна система. S, L и V - респ. области на съществуване на твърда, течна и парна фаза; 1, 2 и 3 криви на кипене (изпаряване), топене и сублимация (сублимация) съответно. До критично. точка; Тройна точка.

Обикновено, с увеличаване на t-ry, взаимната разтворимост на течностите се увеличава, следователно, в зависимост от техния sv-you, и двата наситени разтвора, чиито състави се променят по бинодалните сегменти EK и KF, се доближават един до друг. Накрая, при t-re T k, разликата между тях изчезва; тази т-ра се нарича. критична т-роя разтворимост (смесване), над нея може да има само една течна фаза. Повечето системи с решения за наслояване се характеризират само с една критична. m-ти p-римит, най-често горният, тоест имат отворена бинодала на диаграмата на състоянието. Ако в такива системи хим. comp., регионът на съвместно съществуване на две течни фази е ограничен отдолу от кривата на кристализация на един от компонентите при t-re трансформация течна фаза 1д течна фаза 2 + твърда фаза. Такова трифазно равновесие се нарича. монотектичен; то е термодинамично. природата е подобна на евтектична или евтектоидна. В синтетично трифазно равновесие две течни фази взаимодействат, за да образуват твърдо съединение. Това равновесие е подобно на перитектичното. В някои системи бинодалът има формата на затворена крива (овална), тоест системата има две t-ry смесващи горна и долна. Диаграма на равновесие течност-пара. Когато p = const, всеки състав на течната смес съответства на определена t-ra на равновесие с пара и определен състав на парата, който по правило се различава от състава на течната смес. На диаграмата на състоянието (фиг. 8, а) кривите на кипене и кондензация изобразяват зависимостите започнетекипене и кондензация от състава и отделят полетата на течност L и пара V от полето (L + V) хетерогенно. течно-парични състояния. На кривата на кипене m. B. екстремум: максимум (фиг. 8, б) или минимум (фиг. 8, в); в тези точки кривата на кипене се допира до кривата на кондензация, тоест съставите на равновесна течност и пари съвпадат. Течните смеси от такъв състав напълно изпаряват, подобно на чисти течности, при постоянна температура, без да променят състава (вж. азеотропни смеси) . Диаграмите на състоянието, описващи равновесието на двукомпонентни твърди разтвори с течни разтвори и течни разтвори с пара, са сходни.

Ориз. 8. Диаграми на състоянието, двоична система, описващи равновесната течност - пара. L и V области на съществуване на течност и пари съответно. (L + V) област на съвместно съществуване на течна и парна фаза; система без азеотропна точка; b и c два вида азеотропни смеси

Тройни системи. Състоянията на тройните системи се определят уникално от четири независими параметъра: T, p и моларни (масови) фракции на два компонента (фракцията на третия компонент се определя от условието, че сумата от фракциите на всички компоненти е равна на единица ). Следователно, при изграждането на диаграми на състоянието на тройни системи, един от независимите параметри (р или Т) или два (р и Т) са фиксирани и се вземат предвид пространствените изобарни или изотермични. диаграми или плоски изобарно-изотермични. диаграми, съответстващи на един от разделите на диаграмата на пространственото състояние. Всеки състав от тройната смес съответства на определена точка в равнината на съставите. Областта на възможните състави на тройните системи се нарича. композиционен триъгълник или триъгълник от композиции. В правоъгълна координатна система тя е правоъгълна равнобедрен триъгълник, върховете на които съответстват на компоненти A, B и C, а страните - на двойни смеси AB, BC и CA. Използването на равнопоставено композиране е по -често срещано. триъгълник. В този случай всички компоненти са равни и всяка от неговите върхове може да се приеме като начало на координатите (вижте Многокомпонентни системи). За изграждане на пространства. изобарен или изотермичен диаграми на състоянието по координатната ос, перпендикулярна на композитите. триъгълник, оставете настрана съгл. T или p. В този случай образните точки на системата като цяло и нейните трикомпонентни фази са разположени вътре в тристранна призма, чиито ръбове представляват двойни системи, ръбовете представляват еднокомпонентни системи. На фиг. 9, а показва най -простия

След това поред ще анализираме диаграмата на фазовото равновесие с ограничена разтворимост на компонентите в твърдо състояние и евтектическа трансформация... В евтектичните системи въвеждането на първите количества от един от компонентите в другия води до намаляване на температурата на сплавта, така че кривата на ликвидуса преминава през температурен минимум, наречен евтектична точка. Течността има разтворимост във всякакви пропорции, а разтворимостта в твърдо състояние е ограничена.

В резултат на евтектичната трансформация се образуват кристали с много малък размер, които са неразличими в оптичен микроскоп. Поради тази причина различни фазови компоненти, които се образуват в резултат на трансформацията, се комбинират в един структурен компонент.

Пример за фазова диаграма с евтектична трансформация е показан на фигурата. Фазите α и β са твърди разтвори. Изразът "ограничени твърди разтвори" е приложим за тези решения, тъй като районът на стабилност на всяко от разтворите се простира само до част от диаграмата. Тези фази също могат да бъдат наречени първични твърди разтвори, тъй като съответните им области започват от ръбовете на диаграмата (вътре в нея) и не са ограничени от двете страни някъде в средната част на диаграмата. Фазите могат да имат една и съща кристална структура, но това не е необходимо; всяка фаза има структурата на компонента, с който граничи. Не се налагат ограничения върху структурата на твърдите разтвори; те могат да бъдат както заместващи, така и интерстициални разтвори.

Фигурата показва три двуфазни области: L + α, L + β и α + β. Очевидно областите L + α и L + β са във всички смисли еквивалентни на областта L + α диаграми с неограничена разтворимост на компонентите, които обсъдихме в първата част на тази статия. Тези области могат да се разглеждат като съставени от коноди, свързващи съставите на течната и твърдата фази при всяка дадена температура, които са представени от линиите на солидус и ликвидус. По същия начин се счита, че α + β регионът се състои от коноди, свързващи при всяка температура състава на α фазата на кривата на α-разтворимостта със съответния състав на β фазата на кривата на β-разтворимостта.

Три двуфазни области са свързани помежду си с кондо (а - д - б ), общи за всички тях, и свързващи съставите на три конюгирани фази, съществуващи съвместно при евтектичната температура, тоест α (точкаа ), течности (точкад) и β (точка б ). Тази линия се нарича още евтектична линия или евтектична хоризонтална или изотермична реакция. Точкад , представляваща единствената течност, която може да съществува едновременно с двете твърди фази, се нарича евтектична точка, т.е. точков състав на сплавта с най-ниска точка на топене.

Евтектичната трансформация, която се случва с твърд разтвор, се нарича евтектоидна трансформация.

В третата част на статията ще продължим да разглеждаме основните диаграми на равновесието на фазите.