1234
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра МНЭ
Курсовая РАБОТА
по дисциплине «физико-химические основы технологии изделий электроники и наноэлектроники»
Тема: Термодинамический анализ физико-химического процесса
|
Студент гр. 4209 |
|
Самоделов А.П. |
|
Преподаватель |
|
Максимов А И. |
Санкт-Петербург
2016
Задание
НА КУРСОВУЮ
Студент : Самоделов А.П..
Группа 4209
Тема работы: термодинамический анализ физико-химического процесса
Исходные
данные: задано соединение
имеющее pтип электропроводности
из газообразных компонентов. Основной
процесс (1) проводится в условиях
замкнутого или квазизамкнутого объема.
Парциальные давления пара исходных
компонентов (
)
в системе необходимо задавать и
поддерживать постоянными в течение
всего процесса синтеза путем сублимации
(или испарения) конденсированных фаз
компонентов А и В в независимых
дополнительных температурных зонах
реактора с температурами
соответственно.
Дата выдачи задания: 08.09.2016
Дата контрольной проверки: 25.10.2016
Представление работы: 08.11.2016
Студент __________________ Самоделов А.П.
Преподаватель __________________ Максимов А. И.
АННОТАЦИЯ
В данной работе следует провести термодинамический анализ процесса выращивания монокристаллов соединения висмут селена (GaSe) в реакторе, p-типа электропроводности из газообразных компонентов, при условии замкнутого объема. Для этого рассчитывается константа равновесия процесса, и исходя из ее зависимости от температуры, под графиком выбирается рабочая точка, определяющая рабочую температуру, при которой будет происходить синтез в реакторе. Так же на графике распределения температур веществ в реакторе должны быть нанесены температуры паров исходных веществ, нужные для протекания процесса в прямом направлении. Для галлия и селена определяется тип проводимости и оценивается диапазон изменения отношения их давлений. Так же определяется возможность окисления компонентов в процессе синтеза соединения.
Summary
In this work should be carried out thermodynamic analysis process of growing single crystals of bismuth selenium compound (GaSe) in the reactor, p-type conductivity of the gaseous components, provided a closed volume. For this process, the equilibrium constant is calculated, and based on its dependence on temperature, the operating point is selected below the graph, determining an operating temperature at which the synthesis reactor will occur. Also on the distribution graph substances reactor temperatures should be applied to the vapor temperature of the starting materials needed for the process flow in the forward direction. For gallium and selenium are determined by the type of conductivity and the estimated range of the ratio of their pressures. As determined by the possibility of oxidation of components in the synthesis of the compound.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
В данной работе представлено соединение GaSe, которое получено в реакторе путем кристаллизации из газовой фазы методом сублимации – испарения исходных компонентов. Такой метод применяется, если давление пара веществ при температуре ниже плавления достаточно высоко.
Раздел 1
Расчет константы равновесия и построение ее зависимости от температуры.
1)
Таблица 1
|
T, K |
|
|
|
|
|
|
|
|
298 |
3,355 |
-506400 |
-224,62 |
|
-439463 |
177,462 |
77,07 |
|
300 |
3,333 |
-506380 |
-224,554 |
|
-439014 |
176,0987 |
76,47 |
|
490 |
2,040 |
-504510 |
-219,725 |
|
-396845 |
97,4594 |
42,32 |
|
900 |
1,111 |
-500475 |
-213,741 |
|
-308108 |
41,19642 |
17,89 |
|
1233 |
0,811 |
-497197 |
-210,642 |
|
-237475 |
23,17686 |
10,06 |
,
Рисунок 1. Зависимость константы равновесия 1 процесса от обратной температуры.
2 Раздел
Процесс идет в два этапа-первый без фазового перехода
На втором этапе происходит фазовый переход- плавлениеt
фх
Таблица 2
|
T, K |
|
|
|
|
|
|
|
298 |
3,355 |
272943 |
109,4801507 |
240317,9151 |
-97,0440381 |
−42,14 |
|
300 |
3,333 |
267333 |
109,3900501 |
234515,985 |
-94,0697894 |
−40,85 |
|
490 |
2,040 |
264781,3 |
102,7813594 |
214418,4339 |
-52,6580795 |
−22,86 |
|
900 |
1,111 |
259275 |
94,59174254 |
174142,4317 |
-23,2841866 |
−10,11 |
|
1233 |
0,811 |
254802,81 |
90,35124187 |
143399,7288 |
-13,995365 |
−6,07 |
|
2478 |
0,403 |
238082,46 |
80,94916087 |
37490,43936 |
-1,82061537 |
−0,79 |
,
Рисунок 2.Зависимость константы равновесия 2 процесса отобратной температуры.
Графически рассчитанная теоретическая температура кипения Ga приблизительно T=2500K
3)
Процесс идет в два этапа-первый без фазового перехода
На втором этапе происходит фазовый переход- плавление
Таблица 3
|
T, K |
|
|
|
|
|
|
|
298 |
3,35 |
73010 |
71,27465114 |
51770,15 |
-20,9056 |
−18,15 |
|
300 |
3,33 |
72097 |
71,19 |
50739 |
-20,35 |
−17,67 |
|
490 |
2,04 |
69701,1 |
65,01 |
37849,36 |
-9,29 |
−8,06 |
|
900 |
1,11 |
64531 |
57,33 |
12927,88 |
-1,72 |
−1,49 |
|
958 |
1,04 |
63799,62 |
56,54 |
9625,42 |
-1,21 |
−1,05 |
|
1233 |
0,81 |
60331,87 |
53,36 |
-5469,69 |
0,53 |
0,46 |
,
Рисунок 3. Зависимость константы равновесия 3 процесса отобратной температуры.
Графически рассчитанная теоретическая температура кипения Se приблизительно T=956K
Построение p-Tдиаграммы.
Условие
стехиометрии
Таблица 4
|
T, K |
|
|
|
|
|
|
298 |
−41,16 |
-93,542 |
−17,84 |
-113,624 |
-65,234 |
|
300 |
−40,85 |
-92,986 |
−17,67 |
-113,062 |
-64,834 |
|
490 |
−22,86 |
-60,585 |
−8,06 |
-80 |
-41,633 |
|
900 |
−10,11 |
-37,06 |
−1,49 |
-55,6 |
-24,853 |
|
1233 |
−6,07 |
-29,365 |
0,46 |
-47,44 |
-19,400 |
Рисунок 4. Зависимость логарифма давления висмута отобратной температуры.
Рисунок 5. Зависимость логарифма давления селена отобратной температуры.
Раздел 3
Расчет парциальных давлений итемператур компонентов А и В.
(
)
Рисунок 6. Зависимость парциального давления висмута от обратной температуры.
Рисунок 7. Зависимость парциального давления селена от обратной температуры.
Рисунок 8. Распределение температур в реакторе.
Раздел 4
Оценка возможности окисления компонентов в реакторе.
Таблица 5
|
T, K |
|
|
|
|
|
|
|
298 |
3,355704698 |
-1089000 |
-161,14 |
-1040980,28 |
420,3637 |
182,56 |
|
300 |
3,333333333 |
-1088912,12 |
-160,846086 |
-1040658,29 |
417,4321 |
181,28 |
|
490 |
2,040816327 |
-1080563,52 |
-139,288115 |
-1012312,34 |
248,6093 |
107,96 |
|
900 |
1,111111111 |
-1062548,12 |
-112,573062 |
-961232,364 |
128,5241 |
55,81 |
|
958 |
1,043841336 |
-1059999,6 |
-109,828876 |
-954783,536 |
119,9329 |
52,08 |
|
1233 |
0,811030008 |
-1047916,1 |
-98,740278 |
-926169,337 |
90,39123 |
39,25 |
|
2478 |
0,403551251 |
-993210,8 |
-68,0700895 |
-824533,118 |
40,04107 |
17,38 |
|
|
|
|
|
|
|
|
,
Рисунок 9. Зависимость давления от обратной температуры.
Избежать окисления компонентов в данном процессе не получится. Так как для предотвращения окисления необходима температура свыше 2478 К, а это невозможно, так как начнёт плавиться сам реактор.
Вывод
Рабочая температура процесса кристаллизации соединения из газовой фазы была выбрана 900 К. Была построена p-T диаграмма, на которой отмечена линия стехиометрии, и ее положение свидетельствует о том, что n-тип проводимости можно получить на низких температурах, но с увеличением температуры будет p-тип проводимости, включая рабочую точку. На рисунке 8 показана схема распределения температуры в реакторе для каждого из компонентов и соединения в том числе. Так же было определено что окисления избежать не удается.
Возможный вариант решения проблемы окисления — это откачать из реактора кислород, или заполнить его инертным газом. Или увеличивать температуру процесса до значений много превышающих температуру плавления GaSe. Так же при образовании слоя оксида, реактор можно подвигать или встряхнуть, чтобы убрать образовавшийся слой.
|
Вещество |
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
b |
||||||
|
|
-164,138
|
70,291 |
48,241 |
|
|
1233 |
|
|
|
272,943 |
168,929 |
20,7 |
|
|
|
|
|
|
146,02
|
251,96 |
35,396 |
|
|
|
|
|
|
0 |
41,09 |
26,07 |
26,07 |
5,59 |
302,9 |
2478 |
|
|
0 |
42,44 |
18,95 |
23,01 |
6,67 |
494 |
958,1 |
|
|
0 |
205,03 |
29,36 |
|
|
|
|
|
|
-1089,1 |
84,98 |
92,18 |
|
|
|
|
