Введение

Целью данной курсовой работы является термодинамический анализ условий получения полупроводниковых материалов из газовой фазы и определение возможности реализации этого процесса в условиях замкнутого и квазизамкнутого объема в диапазоне температур 298…1500К.

В качестве технологического метода выбираем метод синтеза соединения HgTe из двух независимых источников, содержащих свободные компоненты Hg и Te. Давление пара исходных компонентов будем задавать путем сублимации твердой фазы или испарения жидкой фазы этих компонентов в дополнительных температурных зонах реактора.

Для решения этой задачи нужно ответить на вопрос о возможности протекания основного процесса с использованием классической термодинамики.

1. Расчет константы равновесия основного процесса и построение ее зависимость от температуры.

Таким образом, расчет k_Р(Т) сводится к вычислению Н_Т⁰ и для конкретной химической реакции. Исходными для расчета служат выражения:

Для определения , и С_P(T) используют выражения:

Температурная зависимость изобарных теплоемкостей аппроксимируется функцией:

,

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

= кДж/моль

= Дж/(моль*К)

С_P298 = Дж/моль

*К

Выведем общую зависимость величин от температуры:

=

Диапазон температуры:

Max(T)=0,5(Tпл)=471,5 К T_рабAB=660 K

Min(T)=0,9*Тпл=848,8 К ln(Kp)=8,7

Рис. 1. График зависимости ln(Кр1) от температуры

T	∆H^◦, кДж/(моль*К)	∆S^◦, Дж/(моль*К)	∆G^◦, кДж/(моль*К)	ln(Kp)
298	-179	-202,2	-118,5	47,8
234,3	-180	-205,9	-131,5	67,5
660	-173	-189,7	-47,8	8,7
723	-172	-188,3	-35,9	6,0
943,2	-169	-184,1	5,1	-0,6

Таблица 1

Рабочая точка: T=660K;

2. Анализ процесса испарения и сублимации компонентов a и b соответственно. Построим температурные зависимости равновесных давлений паров компонентов и сравним с экспериментальными данными.

2.1. Анализ процесса испарения и сублимации Hg и Te

=

=

=

Общая зависимость от температуры:

60830-298*98,8=31387,6 Дж/моль*К )= 31468,98(1/T)-3,0953*ln(T)-3,1

T_{кип. расчет} = 628 K,

Рис. 2. График зависимости ln(Кр2) от температуры

T	∆H, кДж/(моль*К)	∆S, Дж/(моль*К)	∆G, кДж/(моль*К)	ln(Kp)
298	60,83	98,8	31,38	-12,67
234,32	61,22	100,3	37,72	-19,37
660	58,6	93,9	-3,37	0,62
629,88	58,78	94,2	-0,544	0,10

Таблица 2

=

=

=’

=

Общая зависимость от температуры:

58981,58 Дж/(моль*К) )= -8440,9(1/T)+1,2*ln(T)+15,44

T_{кип. расчет} = 1511

Рис. 3. График зависимости ln(Кр3) от температуры

T	∆H, кДж/(моль*К)	∆S, Дж/(моль*К)	∆G, кДж/(моль*К)	ln(Kp)
298	84,1	84,29	58,98	-23,82
660	80,63	76,66073	30,03	-5,48
723	79,85	75,43532	25,31	-4,21
1263	71,19	64,96488	-10,86	1,04

Таблица 4

2. Построим P-T диаграммы в координатах lg(Te2)=f(1/T) и lg(Hg)=f(1/T):

T, K	ln Kp 1	ln Kp 2	Ln Kp 3	lg(PHg) ГОГ Hg	lg(PHg) стех	lg(PHg) ГОГ Te
298	47,8	-12,67	-23,82	-5,51	-13,77	-10,45
234,32	67,5	-19,37	-33,07	-8,42	-19,47	-14,97
660	8,72	0,62	-5,48	0,27	-2,43	-1,41
723	6,0	1,54	-4,21	0,67	-1,63	-0,77
943,15	-0,64	3,78	-1,23	1,64	0,29	0,81

Таблица 5

Рис. 4. График границ стехиометрии и гомогенности для компонента A

Таблица 6

T	ln Kp 1	ln Kp 2	Ln Kp 3	lg(PTe2) ГОГ Te	lg(P Te2) стех	lg(P Te2) ГОГ Hg
298	47,8	-12,67	-23,82	-20,7	-14,1	-30,6
234,32	67,5	-19,37	-33,07	-28,8	-19,8	-41,9
660	8,72	0,62	-5,48	-4,8	-2,7	-8,1
723	6,0	1,54	-4,21	-3,7	-1,9	-6,5
943,15	-0,6463	3,78	-1,23	-1,1	0,0	-2,7

Рис. 5. График границ стехиометрии и гомогенности для компонента B

После построения PT-диаграмм определим границы области гомогенности:

3. Расчет парциальных давлений паров компонентов Hg и Te, обеспечивающих протекание основного процесса. Оценка температуры дополнительных источников паров компонентов (Т_Hg и Т_Te), необходимые для протекания основного процесса в прямом направлении при Т_HgTe.

4. Оценка возможности окисления компонентов и необходимой степени откачки реактора или ампулы (приняв максимально достижимый уровень вакуума в реакторе порядка 10^(-10) атм.):

=

=

С_P =

Общая зависимость от температуры:

-28421,76 Дж/(моль*К)

)= -28421,76 / (8,31*298)=11,5

Таблица 6

T	∆H, кДж/(моль*К)	∆S, Дж/(моль*К)	∆G, кДж/(моль*К)	ln(Kp)	Cp
298	-90,37	-207,88	-28,42	11,5	-11,47
234,3	-89,52	-204,67	-41,56	21,3	-13,35
660	-90,64	-208,47	46,95	-8,6	-0,74
723	-89,89	-206,88	59,68	-9,9	1,13
943,2	-85,43	-199,06	102,31	-13,1	7,65

Рис. 6. График зависимости ln(Kp4) от температуры