- •Физико-химические основы технологии электронных средств
- •Раздел 1. Химическая термодинамика
- •Введение
- •Внутренняя энергия. Как уже отмечалось уравнением ( ), внутренняя энергия является характеристической функцией при независимых переменных V и s, т. Е.
- •Энтальпия. Энтальпия является характеристической функцией при независимых переменных р и s, т. Е.
- •Раздел 2. Технологические процессы
- •1. Эпитаксия кремния Введение
- •1.1. Хлоридный метод
- •1.1.2.Кинетика и микромеханизм кристаллизации азс
- •1.1.3. Температурная зависимость скорости роста. Механизм хлоридного процесса.
- •1.1.4 Взаимосвязь условий формирования эпитаксиальных слоев и их структурных параметров.
- •1.2. Гидридный метод
- •1.2.1. Термодинамический анализ пиролиза силана.
- •1.2.2. Кинетика и микромеханизм кристаллизации аэс при пиролизе силана
- •1.2.3. Гетероэпитаксия кремния на сапфире
- •2.3. Диффузия из конечного ( ограниченного ) источника.
- •2.4. Методы осуществления диффузии.
- •2.5. Создание диодных структур.
- •2.6. Распределение примесей в транзисторной структуре.
- •3. Ионное легирование
- •3.1. Теоретические сведения
- •3.2. Распределение концентрации примеси в слое.
- •3.3. Образование радиационных деффектов.
- •3.4. Отжиг легированных структур.
- •3.5. Формирование диодных и транзисторных структур.
- •3.6. Оборудование для ионного легирования.
- •3.7. Преимущества и недостатки ионного легирования
- •4. Метализация
- •4.2. Конденсация.
- •4.3. Влияние температуры и пересыщения на скорость роста пленки
- •Исходные данные для расчетов при металлизации по кремнию
- •4.4. Установка для металлизации.
- •5. Формирование химических источников тока
- •5.1. Теоретические предпосылки
- •5.2. Термодинамика гальванического элемента.
- •5.3. Температурная зависимость э.Д.С.
- •5.4. Зависимость э.Д.С. От концентрации электролитов
- •Литература
5. Формирование химических источников тока
5.1. Теоретические предпосылки
Любая химическая реакция связана с перемещением электронов. Поэтому в принципе химические реакции могут быть использованы для получения электрического тока. При этом источником электрической энергии является энергия, освобождающаяся при химической реакции. Такое превращение энергии химической реакции в электрическую возможно лишь при помощи специального устройства, называющегося гальваническим элементом. Такое устройство позволяет направлять поток электронов по металлическим проводникам.
Теоретический и практический интерес представляют гальванические элементы с металлическими электродами. Рассмотрим, например, реакцию
Zn (т) -+- CuS04 (водн. р-р) = ZnS04 (водн. р-р) + Сu (т)
или Zn (т) + Сu2+ = Zn2+ + Сu (т), (5.1)
Если цинковую пластинку поместить в раствор медного купороса, то произойдет выделение металлической меди и растворение цинка. В этом случае процесс, в котором электроны переходят от цинка к меди, протекает необратимо, без возможности производства работы, и сопровождается только выделением тепла. Для рассматриваемой реакции можно создать условия, в которых электроны будут двигаться по металлическому проводнику и совершать работу. Это достигается в гальваническом элементе, где цинковый электрод погружен в раствор ZnS04, а медный электрод в раствор CuSO4.
Растворы отделены друг от друга пористой (керамической) перегородкой, препятствующей их смешению, но обеспечивающей прохождение электрического тока. Такой элемент был сконструирован русским электрохимиком Б. С. Якоби. На обоих электродах образуются двойные электрические слои. Величина и знак электрических зарядов в двойных слоях определяются работой удаления электрона из металла и энергией гидратации его ионов. В раствор будут легче переходить те металлы, у которых меньше работа выхода электронов и больше энергия гидратации ионов, т. е. менее благородные металлы. Так как цинк менее благороден, чем медь, то он зарядится более отрицательно по сравнению с медью. Если электроды соединить проводником, то электроны будут перемещаться от цинка к меди. При этом ионы цинка уходят из двойного слоя в объем раствора, а электроны, перешедшие на медный электрод, разряжают ионы меди.
Следовательно, в процессе работы элемента происходит растворение цинкового электрода и осаждение меди из раствора на втором электроде. Чтобы элемент работал непрерывно, цепь должна быть замкнутой, т. е. между растворами должен быть электрический контакт. Перенос тока при этом осуществляется ионами.
Таким образом, в описанном элементе переход электронов от цинка к меди происходит не в условиях непосредственного взаимодействия этих металлов, а при помощи проводника. Суммарная реакция в элементе складывается из двух электродных процессов, пространственно разделенных друг от друга.
При схематической записи гальванических элементов границы между фазами отмечаются вертикальными линиями. При условии, что на границе двух жидкостей (в данном случае растворов ZnS04 и CuSO4 нет разности потенциалов, такую границу обозначают двумя вертикальными линиями. Схема рассмотренного элемента имеет следующий вид:
Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Сu. (5.2)
Условились записывать схемы элементов таким образом, чтобы левый электрод был отрицательным (электроны текут по металлическому проводнику слева направо и в том же направлении переносится ионами положительное электричество внутри элемента). При такой записи протекающая в элементе реакция сопровождается убылью свободной энергии, и поэтому э. д. с.. всегда считается положительной.
Гальванические элементы могут быть построены не только с использованием водных растворов электролитов, но также с применением расплавов. Примером такого элемента может служить цепь
Ag | AgBr | Br2(С) (5.3)
в которой левый электрод серебряный, а правый электрод представляет собой графит, омываемый газообразным бромом, и электролитом является расплавленное AgBr. На левом электроде растворяется серебро, а на правом — адсорбированный графитом бром:
Таким образом, в элементе происходит реакция
Ag (т) + 1/2Br2 (г) = AgBr (ж) (5.4)
Из рассмотренных примеров видно, что реакцию, протекающую в гальваническом элементе можно представить в виде двух отдельных электродных реакций.