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

15 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

79387. ХИМИЧЕСКОЕ И БАКТЕРИОЛОГИЧЕСКОЕ (БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОРУЖИЕ) 41 KB
  Поражают нервную систему через органы дыхания и кожу, желудочно-кишечный тракт. Стойкость: летом – сутки; зимой – несколько недель и даже месяцев Признаки: слюнотечение, сужение зрачков (миоз), затруднение дыхания, тошнота, рвота, судороги, паралич.
79388. Газовые законы. Уравнение состояния идеального газа. Молярная газовая постоянная 54.89 KB
  Уравнение состояния идеального газа. Средняя кинетическая энергия молекул идеального газа с помощью формулы Больцмана может быть выражена через температуру: Подставляя это выражение в основное уравнение молекулярно-кинетической теории...
79389. История атомистических учений. Наблюдения и опыты, подтверждающие атомно-молекулярное строение вещества. Масса и размеры молекул 22.61 KB
  Наблюдения и опыты подтверждающие атомно-молекулярное строение вещества. Среди трудов крупных философов-физиков занимавшихся учением о молекулярном строении вещества особую роль сыграли труды великого русского учёного М. Строение вещества дискретно прерывисто.
79390. Тепловое движение. Абсолютная температура как мера средней кинетической энергии частиц 41.99 KB
  Опытные данные лежащие в основе молекулярно-кинетической теории служат наглядным доказательством молекулярного движения и зависимости этого движения от температуры. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества.
79391. Объяснение агрегатных состояний вещества на основе атомно-молекулярных представлений 114.02 KB
  Ещё в четвёртом веке до н.э. было известно, что свойства вещества определяются свойствами его атомов молекул. Прошло двадцать четыре века но информация о структуре вещества полученная за это время не сказалась на основных положениях физики определяющих агрегатное состояние вещества.
79392. Модель строения жидкости. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха 97.31 KB
  Основным свойством жидкости отличающим её от других агрегатных состояний является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений даже сколь угодно малых практически сохраняя при этом объём.
79393. Поверхностное натяжение. Смачивание и несмачивание. Капиллярность 167.81 KB
  Наиболее характерным свойством жидкости отличающим ее от газа является то что на границе с газом жидкость образует свободную поверхность наличие которой приводит к возникновению явлений особого рода называемых поверхностными.
79394. Модель строения твёрдых тел. Механические свойства твёрдых тел. Упругость, пластичность, хрупкость. Диаграмма растяжения 26.38 KB
  Причиной этих свойств во многом являются силы связи между молекулами материала. Под твердостью понимают сопротивление материала которое он создает при вдавливании или царапании его поверхности другим телом. Оценка твердости материала проводится с помощью простого испытания на твердость методом царапания.
79395. Кристаллические и аморфные тела. Типы кристаллических решёток. Жидкие кристаллы 177.63 KB
  По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса аморфные и кристаллические тела. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично образуя лишь небольшие локальные группы содержащие несколько частиц ближний порядок.