Часть 2. Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы As – Ge – Te согласно варианту 8.

2.1. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трехкомпонентной системы определить фигуративные точки сплавов следующей концентрации:

а) As – 90%, Ge – 0%, Te – 10%;

б) As – 20%, Ge – 20%, Te – 60% .

Д ля определения фигуративных точек воспользуемся правилом «трёх отрезков». Если из точки, лежащей внутри концентрационного треугольника и характеризующей трёхкомпонентный сплав, провести на любую из сторон треугольника две прямые, параллельные двум другим сторонам треугольника, то они разделят эту сторону на три отрезка. При этом длина отрезка, примыкающего к вершине треугольника, по отношению к длине стороны треугольника характеризует состав по компоненту, стопроцентный состав которого лежит на противоположной вершине этой стороны. Отрезок же лежащий между двумя отрезками, граничащими с вершинами, характеризует состав третьего компонента сплава. Согласно этому правилу были определены фигуративные точки А и В для пунктов а) и б) соответсвенно (рис.2.1).

Рисунок 2.1. К заданиям 2.1. и 2.2.

2.2. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трехкомпонентной системы изобразите:

а) совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрацию теллура, равную 75%;

б) совокупность сплавов, характеризующихся постоянным соотно­шением компонентов Te:As =1:1.

Расположение некоторых сплавов в концентрационном треугольнике подчиняется определённым закономерностям, важнейшими из которых являются:

- все сплавы, фигуративные точки которых расположены на прямой, параллельной одной из сторон треугольника, содержат одинаковые концентрации того компонента, которому соответствует вершина, противоположная данной стороне.

- сплавы фигуративные точки которых лежат на прямой, проходящей через одну из вершин треугольника содержат в одинаковом количественном соотношении компоненты, соответствующие двум другим вершинам.

Согласно первому правилу был решён пункт а). Решение представлено на рисунке 2.1 прямой cd. Согласно второму правилу была найдена прямая ab, являющаяся решением пункта б) и изображённая на рисунке 2.1.

2.3. Напишите фазовые превращения, соответствующие линиям двойных эвтектик, точкам тройных эвтектик и точке перитектики.

Для линий двойных эвтектик (см. рис. 2.2.) запишем:

e1 – E1: L ↔ GeTe + Te;

e2 – E1: L ⇄ As₂Te₃ + Te;

e3 – E2: L ⇄ As + As₂Te₃;

e4 – E3: L ⇄ GeAs₂ + As;

e5 – E4: L ⇄ Ge + GeAs;

e6 – E4: L ⇄ Ge + GeTe;

p – P: L ⇄ GeAs + GeAs₂;

E1 – E2: L ⇄ GeTe + As₂Te₃;

E2 – E3: L ⇄ As + GeTe;

E3 – P: L ⇄ GeAs₂ + GeTe;

P – E4: L ⇄ GeAs + GeTe.

Для линий тройных эвтектик и перитектики:

E1 : L ⇄ Te + As₂Te₃ + GeTe;

E2 : L ⇄ As + As₂Te₃ + GeTe;

E3 : L ⇄ As + GeAs₂ + GeTe;

E4 : L ⇄ Ge + GeAs + GeTe;

P : L+GeAs ⇄ GeAs₂ + GeTe.

Рисунок 2.2. К заданиям 2.3.-2.9.

2.4. При какой температуре начнет кристаллизоваться сплав состава Ge:As:Te = 10%:80%:10%, если он охлаждается из жидкого состояния.

Сплав указанного состава обозначен на рисунке 2.2 концентрационного треугольника системы точкой C. Пользуясь данными рисунка, находим, что этой точке соответствует температура начала кристаллизации, равная примерно 743 ⁰C.

2.5. Каков состав первых кристалликов, выпадающих при температуре сплава С ? Как будет изме­няться состав жидкой фазы при дальнейшем охлаждении данного соста­ве?

Первыми кристалликами, выпавшими в процессе кристаллизации сплава С, будут кристаллики мышьяка As. При охлаждении состав жидкой фазы будет изменяться по линии C – E (см рис. 2.2.).

2.6. Определить количество твердой фазы, которое выделится из 5 кг рассматриваемого сплава С при охлаждении его до температуры 700 ⁰C.

Для определения количества твёрдой фазы воспользуемся рисунком 2.2. Как было указано в пункте 2.5. при охлаждении сплава С состав жидкой фазы будет изменятся по линии С – E. Температуре 700⁰С на этой линии соответствует точка D. Обозначим отрезок D – C через x, а отрезок As – С через y. По правилу рычага

.

Из условия известно, что x + y = 5 (кг). Решая два получившихся уравнения совместно относительно x и y, находим, что x = 1,73 (кг), а y = 3,27 (кг). Это массы жидкой и твёрдой фаз соответственно при температуре 700⁰С.

2.7. При какой температуре в сплаве состава С начнет выделяться второй компонент? Что это за компонент? Как будет изменяться состав жидкой фазы?

В точке E пересечения линии As – C – E с двойной эвтектикой e4 – E3 начнёт выделяться второй компонент – соединение GeAs₂. Пользуясь данными рисунка 2.2. находим, что точке E соответствует температура около 585⁰C. Далее состав жидкой фазы будет изменяться по линии двойной эвтектики до точки E3.

2.8. При какой температуре закончится кристаллизация жидкой фа­зы сплава C ? Какое фазовое превращение протекает при этой температуре? Каков состав последней капли рас­плава?

Кристаллизация жидкой фазы сплава С закончится в точке тройной эвтектики E3, где вся жидкость перейдёт в смесь твёрдых кристаллов:

L_E3 ⇄ As + GeAs₂ + GeTe.

Пользуясь данными рисунка 2.2. находим, что точке E3 соответствует температура около 490 ⁰C. Состав последней капли расплава так же определяется точкой E3. Ей соответствует 45% As, 29% Te и 26% Ge.

2.9. Укажите на концентрационном треугольнике составы сплавов системы Аs-Ge-Te, испытывающих при кристаллизация два нонвариантных превращения (эвтектическое и перитектическое).

Сплавы, испытывающие при кристаллизации два нонвариантных превращения (эвтектическое и перитектическое) находятся внутри треугольника GeTe – P – GeAs.

2.10.-2.11. По диаграмме состояния системы Аs-Ge-Te постройте по­литермический разрез системы с постоянным содержанием Te, равным 75%. Используя политермический разрез, постройте кривые охлаж­дения двух выбранных Вами сплавов.

Решение представлено на рисунке 2.3.

2.12. К какому классу полупроводниковых соединений относится фаза GeTe? Какова особенность зонной структуры данного соединения и где применяются полупроводники данной группы?

Фаза GeTe относится к классу полупроводниковых соединений типа A^IVB^VI. Согласно диаграмме, мы имеем дело с низкотемпературной модификацией соединения GeTe (T_пер ≈ 700⁰C), решётка у которой орторомбическая. Соединения A^IVB^VI - узкозонные полупроводники, ширина запрещенной зоны у которых мала. Зонная структура этих полупроводниковых соединений более сложная, чем зонная структура алмазоподобных полупроводниковых соединений. Отличительной особенностью является то, что максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости располагаются на краю зоны Бриллюэна в направлении [111]. Характерной особенностью данных соединений является то, что примесные уровни у них сливаются с краями основных зон (E_c и E_v). Это приводит к тому, что концентрация носителей заряда в таких полупроводниках практически не зависит от температуры (от очень низких и до температуры T > 300 K, когда наступает собственная электропроводность). Величина запрещённой зоны у соединений A^IVB^VI возрастает с увеличением температуры вплоть до 500 K. Соединение GeTe является односторонней фазой, так как в ней имеется избыток компонента Te, что приводит к тому, что нелегированный кристалл такого соединения обладает дырочным типом проводимости.

Соединения А⁴В⁶ находят широкое применение в качестве фоточувствительных элементов в инфракрасной области спектра.

Рисунок 2.3. К заданиям 2.10. и 2.11.