70189

Определение состава газовой фазы и окисляемости металлов при термообработке оксидного катода

Курсовая

Физика

В процессе откачки ЭВП наибольшее газовыделение происходит на этапе термообработки оксидного катода. Оксидное покрытие наносится на поверхность металлического керна катода (Mn) в виде суспензии карбонатов щелочноземельных металлов.

Русский

2014-10-16

594.94 KB

14 чел.

Государственный комитет РФ по высшему образованию

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический

Университет им. В.И. Ульянова (Ленина)

Курсовая работа по дисциплине:

«Физико-химические основы технологии материалов электронной техники»

              

Студент

Ковальский А.С.

группа 0201                                

2013

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

Кафедра ФЭТ

Задание на курсовую работу по дисциплине:

«Физико-химические основы технологии материалов электронной техники»

(05-13)

Студенту   Ковальский А.С.   группа 0201  

Часть 1 Определение состава газовой фазы и окисляемости металлов при термообработке оксидного катода.

Исходные данные:

-Температурный интервал Тк=(700…1400)К

-Материалы: катод SrO(75%)+CaO(25%); металл керна MnMn3O4; MnO

-Суммарное давление в системе -

  1.  Оксидный катод: устройство, материалы, назначение
  2.  Рассчитать и построить температурные зависимости ,  ,
  3.  Рассчитать и построить зависимость для заданной пары металл-окисел. Сделать вывод о возможности окисления заданного металла.

Часть 2 Диффузионное легирование полупроводников

Исходные данные:

-Полупроводник - легирующая примесь  CdGaAs

        ()

-Исходная концентрация примеси в полупроводнике:

-Температура «загонки» и «разгонки»: ,

-Время «загонки» и «разгонки»:  ,

      ,

      ,

  1.  Рассчитать и построить зависимость коэффициента диффузии от температуры
  2.  Определить профиль легирующей примеси для каждого этапа диффузии и глубину p-n перехода

Дата выдачи задания:

Дата сдачи работы:

Преподаватель:

  1.  
    Термодинамическая оценка окисляемости металлов при термообработке оксидного катода.

  1.  Общие сведения

Оксидные катоды являются в настоящее время одним из распространенных типов термокатода, применяемых в электровакуумных приборах (ЭВП) различных классов.

В процессе откачки ЭВП наибольшее газовыделение происходит на этапе термообработки оксидного катода. Оксидное покрытие наносится на поверхность металлического керна катода (Mn) в виде суспензии карбонатов щелочноземельных металлов. В процессе термообработки оксидного катода в вакууме происходит реакция:

,  (1.1)

имеющей константу равновесия      kp1(T) = pСО2 .

Образующаяся окись бария SrО, легированная металлическим стронцием и специальными присадками в керне; служит активным термоэмиссионным покрытием. Углекислый газ CО2, выделяющийся в реакции, способствует удалению углерода из оксидного слоя с помощью газотранспортной химической реакции:

  ,  (1.2)

закон действующих масс для которой имеет вид :    

Таким образом, при термообработке оксидного катода газовая фаза, в основном, содержит газы СО2 и СО. По отношению к металлам Ме, такая среда обладает окислительно-восстановительными свойствами:

 (1.3)

 (1.4)

      

Закон действующих масс для этой реакции имеет вид :  

Направление протекания реакций (1.3) и (1.4) обусловлено составом газовой среды в вакуумном приборе. При этом давления pСО2 и pСО, формируемые реакциями (1.1) и (1.2), являются для реакций (1.3) и (1.4) неравновесными, которые определяются внешними условиями. В общем случае они отличаются от равновесных давлений, входящих в константу равновесия kр3. В дальнейшем равновесные давления будем обозначать и , т.е. .

Таким образом, для оценки термодинамической возможности окисления металлических деталей арматуры прибора, следует в первую очередь провести расчет состава газовой среды, формируемой реакциями (1.1) и (1.2), а затем на основании уравнения изотермы Вант-Гоффа для реакции (1.3) и (1.4) определить направление ее протекания в газовой среде, созданной реакциями (1.1) и (1.2).

1.2. Расчет состава газовой фазы

Целью термодинамического расчета является нахождение температурных зависимостей рCO2(Тк) и рСО(Тк), где Тк - температура обработки катода. Обычно условия разложения карбонатов при термообработке таковы, что скорость газовыделения много больше скорости откачки. Таким образом, практическая ситуация соответствует изохорному процессу, протекающему в объеме, ограниченном вакуумной оболочкой прибора. В этом случае для реакций (I.I) и (1.2) надо применять закон действующих масс в форме:

   и   

Отсюда для температуры Тк  находим:

;      (1.5)

Связь  kP(Т) и kC(Т) определяется из основного газового соотношения

pi = Ci RT:

 ,   (1.6)

где - изменение числа молей газообразных компонентов реакции. Тогда подставляя (1.5) в (1.4), получаем:

;    (1.7)

Таким образом, расчет состава газовой фазы сводится к нахождению температурной зависимости констант равновесия kР1(Т) и kР2(Т).

1.3. Расчет констант равновесия

Запишем химическую реакцию в обобщенном виде

  ,  (1.8)

В основе расчета константы равновесия kp(Т) любой реакции лежит соотношение, выражающее kp через G0T:

     (1.9)

При этом стандартный изобарный потенциал G0T:

     (1.10)

Таким образом, расчет kР(Т) сводится к вычислению НТ0 и для конкретной химической реакции. Исходными для расчета служат выражения:

 `   (1.11)

    (1.12)

где  и – стандартные тепловой эффект и изменение энтропии реакции при Т = 298 К, Ср(Т) - изменение изобарной теплоемкости в реакции, зависящее от температуры.

Для определения  и  используют выражения:

;    (1.13)

;  ,   (1.14)

где и – стандартные теплоты образования соединений из простых веществ и стандартные энтропии веществ.

Для вычисления СP(T) применяют выражение, аналогичное по форме выражениям (1.13) и (1.14):

   (1.15)

Температурная зависимость изобарных теплоемкостей СP,к(н)(T) аппроксимируется функцией:

  ,   (1.16)

где a ,b и c  - коэффициенты, заданные для данного вещества.

Таким образом, расчет температурной зависимости kр(Т) через , в соответствии с (1.9), проводят по формулам (1.10)  (1.16). При этом возможны три приближения.

Т.к. катод имеет напыление смеси окислов Sro и CaO рассмотрим их в отдельности:

SrO

1.3.1.Первое приближение.

В условиях первого приближения пренебрегается температурной зависимостью термодинамических величин, т.е. полагается, что СР = 0. Тогда (1.10) принимает вид:

    (1.17)

Получаем:

   

  

Итого:

1.3.2.Второе приближение

Пренебрегаем температурной зависимостью теплоемкостей, т.е. полагаем Ср = Ср,298 = const. Тогда из (1.10), (1.11) и(1,12) следует:

 (1.18)

где

и введена функция Улиха:

 

Получаем:

  

 

Итого:

1.3.3.Третье приближение

Учитывает точную зависимость Ср(Т), рассчитанную по формуле (1.14) на основе табличных данных. В этом приближении используют формулу Темкина-Шварцмана:

 ,  (1.18)

где a, b и c  - алгебраические суммы коэффициентов (1.15), подсчитанные с учетом стехиометрических коэффициентов реакции (I.7) по общему правилу:

Коэффициенты Темкина – Щварцмана, входящие в уравнение (1.18), вычисляются по следующим формулам:  

   

  

 

 

Получаем:

Итого:

CaO

1.3.5.Первое приближение

    (1.17)

Получаем:

   

  

Итого:

1.4. Расчет окисляемости металлов

Для выяснения вопроса об окисляемости металлов в газовой среде, сформированной в процессе термообработки оксидного катода, необходимо рассчитать температурный ход константы равновесия kР3 окислительно-восстановительной реакции (1.3). Изобарный потенциал этой реакции в реальных условиях вычисляется по уравнению изотермы Вант-Гоффа:

,  (1.20)

где pсо/pСО2 – отношение давлений, полученное из расчета газовой фазы, отличающееся от соотношения равновесных величин для реакции (1.3) .

1.4.1.Первое приближение.

В условиях первого приближения пренебрегается температурной зависимостью термодинамических величин, т.е. полагается, что СР = 0. Тогда (1.10) принимает вид:

    (1.17)


Получаем:

   

  

Из (1.19) видно, что:

а) при pсо/pСО2   имеем G > 0, т.е. реакция (1.4) сдвинута влево и соответствующий металл не окисляется в данной газовой смеси;

б) при pсо/pСО2 < имеем G < 0, т.е. реакция (1.4) сдвинута вправо и металл окисляется.

Учитывая тот факт, что оксид на катоде механическая смесь , построим зависимости отношения парциальных давлений и оценим окисляемость металла (используем только первое приближение):

Из приведенных графиков видно, что pсо/pСО2  , т.е. имеем G > 0, а следовательно реакция (1.3) сдвинута влево и соответствующий металл не окисляется в данной газовой смеси.

  1.  
    Диффузионное легирование полупроводника

  1.  Построение зависимости коэффициента диффузии от температуры

Коэффициент диффузии D выражается в соответствии с законом Аррениуса:

,

где k – постоянная Больцмана; D0, Ea – постоянные значения коэффициента диффузии при стандартной температуре и энергия активации.

   

  1.  Определение профиля легирующей примеси для каждого этапа диффузии и глубины p-n-перехода

  1.  Загонка. Легирование из постоянного источника

Стадии загонки примеси соответствует модель неограниченного поверхностного источника, и на данной стадии справедливы следующие начальные и граничные условия:

  

Решение уравнения  имеет следующий вид:

  ,

где С0 – поверхностная концентрация примесных атомов, обеспечиваемая внешней средой с неограниченным количеством примеси.

 

Общее количество примеси, введенной через единицу поверхности полупроводника за время t1, находится интегрированием потока:

 

  1.  Разгонка. Легирование из бесконечно тонкого источника с отражающей границей

Начальные и граничные условия имеют следующий вид:

Решение уравнения для данной задачи выражается функцией нормального распределения Гаусса:

   (3.9)

Величину Q называют также дозой легирования.

а)

Из графиков видно, что глубина p-n-перехода:


б)

Из графиков видно, что глубина p-n-перехода:


в)

Из графиков видно, что глубина p-n-перехода:


Список литературы

  1.  Барыбин А.А., Сидоров В.Г. Физико-технологические основы электроники.  СПб.: Издательство «Лань», 2001. – 272 с.
  2.  Китель Ч. Введение в физику твердого тела. /Пер. с англ.  М.: «Мир», 1980. – 420 с.
  3.  Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Теория процессов полу-проводниковой технологии. Электронные и микроэлектронные материалы и компоненты твердотельной электроники.  М.: МИСИС, 1995.  493 с
  4.  Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.  M.: «Высш. шк.», 1986. – 368 с.
  5.  Свойства неорганических соединений. Справочник / Ефимов А.И. и др.  Л.: «Химия», 1983  392 с.
  6.  Технология и аппаратура газовой эпитаксии кремния и германия / Скворцов И.М., Лапидус И.И., Орион Б.В. М.: Энергия, 1978.  136 с.
  7.  Угай Я.А. Введение в химию полупроводников.  M.: «Высш. шк.», 1975. – 302 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75289. Кризис в Западной Римской империи в III-V вв. и возникновение протофеодальных отношений 34 KB
  Кризис в Западной Римской империи в IIIV вв. В Западной Римской империи IV V вв. В различных частях Западной империи росли сепаратистские тенденции которые находили проявление как в политических выступлениях в захватах власти узурпаторами так и в появлении местных ересей например донатизма в Северной Африке. Эксплуатируемые массы империи представляли собой конгломерат множества социальных групп разделенных сословными перегородками и несовпадающими интересами.
75291. Падение Западной Римской империи и образование варварских королевств 36.5 KB
  Падение Западной Римской империи и образование варварских королевств. Победа на Каталаунских полях явилась последним крупным успехом Западной Римской империи. После этого началась политическая чехарда: за 21 год на престоле Западной Римской империи сменилось 9 правителей ставленников италийской или галльской знати варварской армии под командованием Рикимера сместившего или убравшего не одного августа а после его смерти в 472 г. Это время дальнейшего нарастания кризиса империи и стремительного сокращения ее границ.