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

11 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

52458. We and the English-speaking world. Comparing cultures 139.5 KB
  Guests: investors from Germny representtives of school dminist rtion correspondents from locl mss medi techers of the lyceum. I’m gld to introduce you our guests from Germny Peter Freundlieb nd Julius Zitsek. nd I hope our guests from Germny will help us won’t they The guests introduce themselves nd tell some words bout their country nd their mission in Ukrine. I think they will explin us the reson: boy nd girl worn in ntionl Ukrinin costumes hnd in the Germn guests bred nd slt on the ntionl Ukrinin towel nd spek bout Ukrinin...
52459. CYBERBULLYING 102 KB
  Techer: Good fternoon der pupils nd our guests We re hppy to greet you t our prty devoted to Interntionl Dy for Tolernce nd problems of cyberbullying. Presenter 1: Tody we’re going to tlk bout bullying. Bullying occurs in every country round the globe when people especilly children ren't tolernt of ech other.
52461. ВІТАННЯ ВІД СВІТЛОФОРЧИКА 53.5 KB
  Учителька бабуся. Учителька бабуся. Ура Учителька бабуся. О а навіщо нам ці правила Що ми – шофери чи що Учителька бабуся.
52462. Дальтон-технологія 109 KB
  Серед інноваційних технологій яка саме дозволяє здійснити такий підхід до навчання відома дальтонтехнологія. Дальтонтехнологія один із методів активізації пізнавальної та креативної діяльності учнів при вивченні предмету. У дальтонтехнології закладені великі можливості для реалізації особистісноорієнтованого навчання в повнішій мірі навіть в умовах класноурочної системи.
52463. Галицько- Волинська держава. Данило Галицький 110.78 KB
  Мета: ознайомити учнів з виникненням Галицько Волинської держави; на прикладах особистостей Романа Великого та Данила Галицького продовжити формування вмінь складати характеристику видатних історичних діячів; виховувати почуття гордості за славне минуле свого народу повагу до історичних діячів. Обладнання: підручник карта Галицько Волинська держава портрети Романа і Данила зошит Власова роздатковий матеріал схеми таблиці вислови речення. ' Основні поняття і терміни: Галицько Волинська...
52464. American Holidays. Thanksgiving Day 338 KB
  The pilgrims celebrted the first Thnksgiving Dy in the fll of 1621. The pilgrims siled to meric from Plymouth Englnd in September 1620. Wht joy the pilgrims hd when they relized where they were There were people living in meric before the pilgrims rrived. The pilgrims first winter in the New World ws difficult.