Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

кафедра МЭ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по физико-химическим основам технологии материалов и изделий электронной техники на тему

" Термодинамический анализ физико-химического процесса "

Студент: Каблуков Д. Е.

Группа: 8207

Преподаватель: Мараева Е. В.

Санкт-Петербург

2011 год

Задание на курсовое проектирование

Провести термодинамический анализ процесса выращивания монокристаллов (или эпитаксиальных слоев) соединения CdTe n-типа проводимости из газообразных компонентов:

Считать, что основной процесс проводится в условиях замкнутого или квазизамкнутого объема. Парциальные давления пара исходных компонентов (p_Cd и p_Te2) в системе необходимо задавать и поддерживать постоянными в течение всего процесса синтеза путем сублимации (или испарения) конденсированных фаз компонентов Cd и Te в независимых дополнительных температурных зонах реактора с температурами T_A и T_B соответственно.

1. Расчет константы равновесия для основного процесса

Основной процесс получения бинарного полупроводникового соединения типа A^IIB^VI CdTe газофазным методом описывается уравнением:

Уравнение изотермы химической реакции:

ΔG_T = ΔG^o_Т+ RTln(Π_i p_i^νi)

где ΔG^o_Т=-RTln(Kp) – изменение свободной энергии Гиббса при стандартных условиях.

Kp= (P_СdP_te2^0.5)^0.5 -константа равновесия основного процесса.

ΔG_T = -RTln(Kp) + RTln(Π_i p_i^νi)

ΔG_T = RTln(P_СdP_te2^0.5)_равн - RTln(P_СdP_te2^0.5)_реальн

Расчитаем константу равновесия основного процесса основного процесса, для этого необходимо знать изменение свободной энергии Гиббса

ΔG^o₂₉₈ = ΔH^o₂₉₈ – 298ΔS^o₂₉₈

На основании закона Гесса расчитае стандартную энтальпию процесса ΔH^o₂₉₈:

ΔH^o₂₉₈=Σνi ΔH^o_f,298(кон)- Σνi ΔH^o_f,298(исх),

где νi-число молей вещества.

ΔH^o₂₉₈= ΔH^o_{f,298 (Cdte}^тв₎-( ΔH^o_{f,298 (Cd}^г₎+ ΔH^o_{f,298 (te}^г₎)=-70,82 кДж

Расчитаем стандартную энтропию процесса ΔS^o₂₉₈:

ΔS^o₂₉₈=Σνi ΔS^o_f,298(кон)- Σνi ΔS^o_f,298(исх)= ΔS^o_{f,298 (Cdte}^тв₎-( ΔS^o_{f,298 (Cd}^г₎+ ΔS^o_{f,298 (te}^г₎) =-49,4 Дж/К

Изменение свободной энергии для стандартных условий процесса:

ΔG^o₂₉₈ = ΔH^o₂₉₈ – 298ΔS^o₂₉₈=-270148Дж.

Константу равновесия получаем равную:

lg(Kp) = - ΔG^o₂₉₈/(298Rln(10))=-47,45

Построим график зависимости lgP_CdP_Te2^1/2 от обратной температуры:

.

2. Анализ процессов сублимации исходных компонентов

Анализ процесса сублимации Cd

Сублимация Cd рассматривается при температуре от 298 К до температуры плавления кадмия 594 К. Считаем, что пар Cd одноатомный.

Аналогично, используем уравнение изотермы химической реакции для стандартных условий, с учетом того, что для этого процесса Р_Cd = Kp

Из справочных данных получаем

ΔG^o₂₉₈ = ΔH^o₂₉₈ – 298ΔS^o₂₉₈ = 111800 - 298∙115,84 = 77279,68 Дж

lg(Kp) = - ΔG^o₂₉₈/(298Rln(10))

Испарение Cd рассматривается при температуре от температуры плавления кадмия 594 К до температуры кипения кадмия 1040 К. Считаем, что пар Cd одноатомный.

Аналогично, используем уравнение изотермы химической реакции для стандартных условий, с учетом того, что для этого процесса Р_Cd = Kp

Из справочных данных

Поскольку имеет место фазовый переход, то зависимость изменения энтальпии реакции от температуры приобретает более сложный вид.

Фазовый переход происходит для исходного компонента, поэтому энтальпия фазового перехода принимается отрицательной dHfpCd < 0

ΔG^o₅₉₄ = ΔH^o₂₉₈ – 594ΔS^o₂₉₈ + ₂₉₈∫⁵⁹⁴ΔCp^odT – 594₂₉₈∫⁵⁹⁴(ΔCp^o/T)dT = 111800 - 594∙115,84 -21,38∙(594-298) + 594∙21,38∙ln594/298 = 45.422 кДж

ΔG^o₉₀₀ = ΔH^o₂₉₈ – ΔHпл – 900(ΔS^o₂₉₈ + ΔSпл)+ ₂₉₈∫⁵⁹⁴ΔCp^odT – 900₂₉₈∫⁵⁹⁴(ΔCp^o/T)dT +

+ ₅₉₄∫⁹⁰⁰ΔCp^o’dT – 900₅₉₄∫⁹⁰⁰(ΔCp^o’/T)dT

T,K (расчет)	lnKp (расчет)	T,K (эксперимент)	lnKp (эксперимент)
298	-13,55	293	-13,88
594	-3,996	593	-3,88
900	-0,98	885	-0,88

Рис. 2.1. Зависимость десятичного логарифма константы равновесия

процесса испарения и сублимации кадмия от обратной температуры

Анализ процесса сублимации Te

.

Найдем условие протекания процесса сублимации:

G_T= – RTln(Kp) + RTln(П_i p_i^vi), где Кр = – константа равновесия процесса сублимации теллура.

G_T= RTln _реал – RTln _равн.

Процесс может протекать лишь при условии, что G_T < 0, а это возможно лишь при условии: _равн > _реал.

Рассчитаем константу равновесия аналогично основному процессу, но с учетом фазового перехода.

При Т=298 К:

При Т=723 К:

, где .

, где .

.

При Т=1260 К:

, где .

Т, К	, кДж
298	58,97	-10,34	-20,68
723	24,71	-1,79	-3,58
1260	11,52	-0,48	-0,96

Рис. 2.2. График зависимости десятичного логарифма равновесного давления пара теллура от обратной температуры для процесса сублимации.