Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью компонентов

June 6, 2013 by admin Комментировать »

Диаграммы состояния с эвтектическим превращением. Рассмотрим более подробно диаграмму с эвтектическим превращением (рис. 4.8). Она состоит из шести фазовых областей: области жидкой фазы L, двух двухфазных областей (жидкая фаза L + твердый раствор α и жидкая фаза L

+ твердый раствор β), двух однофазных областей твердых растворов α

и β и двухфазной области сосуществования твердых растворов α + β.

Линиями Ae и Be на диаграмме обозначены линии ликвидуса. Ли

Рис. 4.8. Диаграмма состояния бинарной системы, образующей твердые растворы с эвтектикой.

нии Ac и Bd — линии солидуса при температурах, превышающих эвтектическую температуру Te. Горизонтальная эвтектическая линия ced является линией солидуса, но не отвечает реально существующим фазам за исключением трех точек: c (эвтектическое превращение твердого раствора α), d (эвтектическое превращение твердого раствора β) и e (эвтектическое превращение жидкой фазы). Особенность этой линии состоит в том, что при соответствующей ей температуре Te в сплавах состава от c до d в равновесии находятся три фазы: L + α + β. Линии ac и bd — это линии твердых растворов предельной концентрации (ac — B в A, а  bd — A в B), существующих при температурах ниже эвтектической.

При охлаждении сплавов составов от 0 до c мы сначала проходим двухфазную область L + α, а затем получаем однофазный твердый раствор α. При дальнейшем охлаждении мы можем либо сохранить однофазный твердый раствор α, либо, в случае пересечения линии ac, получить двухфазную  смесь  α + β,  так  как  в  точке  пересечения сплав  находится в состоянии предельно насыщенного раствора, а ниже начинается его распад с выделением фазы β. Во втором случае при дальнейшем охлаждении сплава в пределах двухфазной области одновременно изменяются как состав обеих фаз, так и их количественное соотношение. Состав фаз характеризуют точки пересечения горизонтальных линий с линиями ac и bd, ограничивающими двухфазную область; количественное соотношение фаз определяется правилом рычага. Кристаллизация сплавов составов от d до B происходит аналогично.

При охлаждении сплавов составов от c до d при температуре Te (окончание кристаллизации) происходит распад жидкости состава e на два твердых раствора α и β с составами c и d по эвтектической реакции

L → α + β. При дальнейшем охлаждении сплавов изменяется состав

Рис. 4.9. Диаграмма состояния системы InTe–SnTe.

каждого твердого раствора α и β по кривым ac и bd соответственно, а количественное соотношение фаз определяется правилом рычага.

Основными особенностями диаграмм эвтектического типа являются:

1) уменьшение температуры плавления твердого раствора как со стороны компонента A, так и со стороны компонента B при их растворении друг в друге; 2) наличие эвтектического превращения, заключающегося в распаде жидкости при охлаждении на две твердые фазы.

Диаграммы эвтектического типа наблюдаются, например, в системах InTe–SnTe (рис. 4.9) и Si–Au (рис. 4.3).

Диаграммы состояния с перитектическим превращением. Если температура плавления твердых растворов уменьшается со стороны компонента A (или B), а со стороны компонента B (или A) повышается при их ограниченной растворимости друг в друге, то возможно перитектическое превращение, которое представляет собой процесс образования фазы за счет взаимодействия двух других, полностью или частично исчезающих при этом (жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами

и образует новый вид кристаллов): L + α → β. Реакция подобного типа

называется  перитектической.

Рассмотрим диаграмму состояния с перитектическим превращением (рис. 4.10). Линия AbB∗ — линия ликвидуса; линии Aa и nB∗ — линии солидуса; линии ac и nd — линии твердых растворов предельной

концентрации, существующих при температурах ниже перитектической температуры Tп. При температуре Tп в равновесии находятся три фазы: жидкая и две твердые фазы — L + α + β. Горизонтальная линия ab на

Рис. 4.10. Диаграмма состояния бинарной системы, образующей твердые растворы с перитектикой.

зывается перитектической горизонталью и ее точки не отвечают реально существующим фазам (как и на эвтектической горизонтали), кроме трех точек a, n и b.

При охлаждении сплавов составов от 0 до a кристаллизация происходит аналогично кристаллизации сплавов составов от 0 до c на диаграмме состояния с эвтектическим превращением.

При охлаждении сплавов, составы которых лежат в интервале от a до n, количество жидкой фазы при температуре Tп недостаточно для того, чтобы произошло взаимодействие со всей твердой фазой α. В итоге после перитектического превращения, кроме новой фазы β, сплавы будут содержать и избыточное количество кристаллов фазы α. При Tп состав жидкой фазы будет отвечать точке b (точка перитектического превращения жидкости), а состав кристаллов — точке a (точка перитектического превращения твердого раствора α). Эти обе фазы реагируют и дают третью фазу β, состав которой определяется точкой n (точка перитектического превращения твердого раствора β). Количественное соотношение фаз, участвующих в перитектической реакции, определяется правилом рычага. При дальнейшем охлаждении сплавы представляют собой механическую смесь твердых растворов α + β, составы которых изменяются по кривым ac и nd соответственно, а количественное соотношение фаз определяется правилом рычага.

Аналогично для сплавов, составы которых лежат в интервале от n до b, количество фазы α при Tп мало по сравнению с количеством жидкой фазы. В результате перитектического превращения мы получим двухфазную систему L + β. При дальнейшем понижении температуры состав

жидкой фазы изменяется по линии bB∗, а состав образующихся кристаллов — по nB∗. Количественное соотношение фаз определяется правилом

Рис. 4.11. Диаграмма состояния системы InSe–GaSe.

рычага. Важной особенностью системы с перитектикой является то, что при температуре Tп кристаллизация ряда составов сплава завершается не полностью. Для сплавов состава от n до b кристаллизация завершается на линии nB∗ при температурах ниже Tп и при этом образуется твердый раствор β.

Подобного типа диаграммы состояния редко встречаются в полупроводниковых системах, тем не менее, примером может служить система InSe–GaSe (рис. 4.11). По перитектической реакции в этой системе образуется β фаза (InGa2Se3).

Диаграммы состояния с химическими соединениями. В соответствии со сказанным выше при сильном химическом сродстве компонентов системы их взаимодействие приводит к образованию химического соединения. Диаграммы состояния с химическими соединениями различают по двум признакам: 1) по соотношению составов соединения и жидкой фазы, образующейся при плавлении этого соединения; 2) по способности соединения растворять в себе другие компоненты, в том числе и составляющие данное соединение, то есть по ширине области гомогенности (по величине области концентраций, в которой может существовать соединение, сохраняя свою однофазность).

Конгруэнтно и инконгруэнтно плавящиеся соединения. Соединения, для которых составы соединения и жидкой фазы, образующейся при плавлении этого соединения, совпадают, называются конгруэнтно плавящимися. Температура плавления таких соединений лежит на ли

Рис. 4.12. Диаграмма состояния системы с одним конгруэнтно плавящимся соединением.

нии ликвидуса, а сама линия имеет вид кривой с максимумом (точка M), который в первом приближении соответствует составу соединения (рис. 4.12). В простейшем случае двухкомпонентной системы (компоненты системы A и B), в которой образуется только одно химическое соединение AmBи твердые растворы отсутствуют, диаграмму состояния можно рассматривать как двойную систему: химическое соединение рассматривается как отдельный компонент, объединяющий две самостоятельные фазовые диаграммы с эвтектиками (на диаграмме состояния имеются две эвтектические точки E1 и E2):

A + AmBи AmB+ B.

Например, система InAs может быть разделена на системы In–InAs и InAs–As (рис. 4.13). Кристаллизация сплавов на этой диаграмме происходит совершенно аналогично кристаллизации сплавов, образующих механическую смесь кристаллов «чистых» компонентов. Отличие состоит только в том, что, кроме выделения кристаллов «чистых» компонентов A и B, происходит еще образование кристаллов химического соединения AmBn.

Если же соединение способно давать ограниченные твердые растворы с компонентами фазовой диаграммы (в случае полупроводниковых соединений растворимость в них компонентов соединения, как правило, очень невелика), то диаграмма состояния системы будет иметь вид, представленный на рис. 4.14. На этом рисунке изображены α и β твердые растворы на основе «чистых» компонентов A и B и γ твердый раствор на основе химического соединения AmBn.

В другом случае, когда составы жидкой и твердой фаз при плавлении не совпадают, соединения называются инконгруэнтно плавящими

Рис. 4.13. Диаграмма состояния системы In–As с конгруэнтно плавящимся соединением InAs.

Рис. 4.14. Диаграмма состояния системы с одним конгруэнтно плавящимся соединением и ограниченными твердыми растворами с эвтектиками.

ся. Инконгруэнтно плавящиеся соединения характеризуются тем, что при плавлении твердая фаза превращается в две фазы — жидкую и твердую, составы которых лежат по обе стороны состава исходного соединения (соединение AmB(точка J ) и соединение GaTe3 на рис. 4.15,а,б). Плавление инконгруэнтно плавящихся соединений идет как превращение перитектического типа, но плавится не новый твердый раствор, как при перитектической реакции, а химическое соединение. Температура плавления соединения при этом лежит ниже линии ликвидуса, в результате чего последняя не имеет максимума, связанного с соединением.

1. Ширина области гомогенности. Существуют соединения с широкой областью гомогенности (единицы–десятки атомных процентов), например, соединение Sb2Te3  в системе Sb–Te (рис. 4.16). Существуют соединения с узкой областью гомогенности (сотые и тысячные доли процентов), например, соединение InAs в системе In–As (рис. 4.13). Полупроводниковые соединения группы AIVBVI занимают промежуточное положение. Для них характерна ширина области гомогенности порядка

0.1 ат.%.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты