Дипломная работа на тему Термодинамический анализ процесса выращивания монокристаллов из газообразных компонентов

Содержание курсовой работы

Задание на курсовую работу

1. Основной процесс

1.1 Расчёт константы равновесия

1.1.1 При комнатной температуре

1.1.2 При температуре плавления CdTe

1.2 Выбор рабочей точки

1.3 Условия протекания процесса в прямом направлении

1.4 Условия равновесия в системе при температуре основного процесса

2. Процесс сублимации компонентов Cd и Te

2.1 Сублимация компонента Cd

2.1.1 При комнатной температуре

2.1.2 При температуре фазового перехода

2.1.3 При температуре основного процесса

2.2 Сублимация компонента Te

2.2.1 При комнатной температуре

2.2.2 При температуре фазового перехода

2.2.3 При температуре основного процесса

2.3 Pi-T диаграммы

2.4 Стехиометрический состав пара

3. Парциальные давления паров компонентов Cd и Te

3.1 Расчёт парциальных давлений паров компонентов Cd и Te

3.2 Оценка температуры дополнительных источников паров компонентов Cd и Te

3.3 Принципиальная схема реактора и распределение температуры

4. Процесс окисления компонента Cd

4.1 При комнатной температуре

4.2 При температуре основного процесса

4.3. Оценка возможности окисления компонентов

Выводы по работе

Задание на курсовую работу

Целью курсовой работы является практическое освоение современных методов термодинамического анализа процесса выращивания монокристаллов соединения CdTe -p- типа электропроводности из газообразных компонентов:

Таблица 1.

Термодинамические свойства исходных компонентов и продуктов реакции

Вещество, фаза

,

,

,

, Дж

, К

Источник

a,

b,

Cd, газ

111770

167,584

20,780

11а

Te2, газ

168156

267,962

36,726

6

CdTe, кр.

-100392

94,954

50,154

44340

1314

7

Cd, тв.

0

51,760

22,220

12,300•10-3

6191

594

11а

Te, тв.

0

49,500

25,770

22,090•10-3

17485

723

11а, 1. 9

O2, газ

0

205,040

31,460

3,390•10-3

CdO, тв.

-256100

54,810

48,240

6,380•10-3

1. Основной процесс

1.1 Расчёт константы равновесия

1.1.1 При комнатной температуре

Определим изменение энтропии реакции

Определим изменение энтропии реакции

Определим изменение теплоёмкости

Определим константу равновесия для Т = 298 К

1.1.2 При температуре плавления CdTe

Таблица 2.

Логарифм константы равновесия для основного процесса

Т, К

298

1000

1314

94,763

11,640

3,208

Представим данные на графике

Рис.1. Зависимость логарифма константы равновесия от обратной температуры для основного процесса

1.2 Выбор рабочей точки

Возможный диапазон температур синтеза соединения CdTe находится из соотношения

= (0,7…0,9)•

=1314 К

= 919,81182,6 К. Возьмём = 1000 К

1.3 Условия протекания процесса в прямом направлении

Для того, чтобы протекание основного процесса в прямом направлении было возможно, должно выполняться следующее условие: <

равновесие выращивание кристалл реактор

1.4 Условия равновесия в системе при температуре основного процесса

Для того, чтобы система находилась в равновесии при температуре синтеза соединения CdTe: = 11

2. Процесс сублимации компонентов Cd и Te

2.1 Сублимация компонента Cd

2.1.1 При комнатной температуре

2.1.2 При температуре фазового перехода ТCd = 594 К

2.1.3 При температуре основного процесса ТCdTe = 1000 К

Таблица 3.

Логарифм константы равновесия для сублимации Cd

Т, К

298

594

1000

31,196

8,823

0,384

Представим данные на графике

Рис.2. Зависимость логарифма константы равновесия от обратной температуры для сублимации Cd

Температура кипения Cd:

Справочные данные: Ткип Cd = 1039,8 K

Данные, полученные на основе термодинамического анализа: Ткип Cd = 1032,100 К

2.2 Сублимация компонента Te

2.2.1 При комнатной температуре

2.2.2 При температуре фазового перехода ТTe = 723 К

2.2.3 При температуре основного процесса ТCdTe = 1000 К

Таблица 4.

Логарифм константы равновесия для сублимации Te

Т, К

298

723

1000

24,787

5,332

2,669

Представим данные на графике

Рис.3. Зависимость логарифма константы равновесия от обратной температуры для сублимации Te

Температура кипения Te:

Справочные данные: Ткип Te = 1260,8 K

Данные, полученные на основе термодинамического анализа: Ткип Te = 1623,348 К

2.3 Pi-T диаграммы

Cd:

1 линия: CdTeтв – Cdтв (ж) – газ (Cdпар + Te2 пар + CdTепар)

< lg PCd газ = lg kp2 >

2 линия: CdTeтв – Teтв (ж) – газ (Cdпар + Te2 пар + CdTепар)

< lg PCd газ = – lg kp1 – lg kp3 >

Таблица 5.

Линии трёхфазного равновесия для Cd

Т, К

lg kp1

lg kp2

lg kp3

lg PCd газ

1 линия

2 линия

298

41,155

13,548

10,765

13,548

30,390

Тф.п.

Cd, 594

15,529

3,832

3,832

Te, 723

10,926

2,316

8,610

1000

5,055

0,167

1,159

0,167

3,896

Представим данные на графике

Рис.4. Зависимость логарифма парциального давления паров Cd от обратной температуры

Te:

1 линия: CdTeтв – Teтв (ж) – газ (Cdпар + Te2 пар + CdTепар)

< lg PTe2 газ = 2lg kp3 >

2 линия: CdTeтв – Cdтв (ж) – газ (Cdпар + Te2 пар + CdTепар)

< lg PTe2 газ = – 2lg kp1 – 2lg kp2 >

Таблица 6.

Линии трёхфазного равновесия для Te

Т, К

lg kp1

lg kp2

lg kp3

lg PCd газ

1 линия

2 линия

298

41,155

13,548

10,765

21,530

55,214

Тф.п.

Cd, 594

15,529

3,832

23,394

Te, 723

10,926

2,316

4,632

1000

5,055

0,167

1,159

2,318

9,776

Представим данные на графике

Рис.5. Зависимость логарифма парциального давления паров Te2 от обратной температуры

Таблица 7.

Границы областей гомогенности для Cd и Te

T, К

Cd

Te

lg PCd ГОГ Cd

lg PCd ГОГ Te

lg PTe2 ГОГ Cd

lg PTe2 ГОГ Te

298

13,548

-30,390

55,214

21,530

Тф.п.

Cd, 594

3,832

23,394

Te, 723

8,610

4,632

1000

0,167

3,896

9,776

2,318

2.4 Стехиометрический состав пара

Cd: < lg PCd стех = lg kp1 + lg 2 >

Te2: < lg PTe2 стех = lg kp1 lg 2 >

Таблица 8.

Линии стехиометрии для Cd и Te

T, К

Cd

Te

lg kp1

lg PCd стех

lg kp1

lg PTe2 стех

298

41,155

-27,336

41,155

27,637

Тф.п.

Cd, 594

15,529

10,252

Te, 723

10,926

7,485

1000

5,055

3,270

5,055

3,571

-p- тип э/п

3. Парциальные давления паров компонентов Cd и Te

3.1 Расчёт парциальных давлений паров компонентов Cd и Te

3.2 Оценка температуры дополнительных источников паров компонентов Cd и Te

TCd = 627,383 K, TTe = 906,846 K

3.3 Принципиальная схема реактора и распределение температуры

Распределение температуры:

Рис.6. Зависимость температуры реактора от координаты

Схема реактора:

4. Процесс окисления компонента Cd

4.1 При комнатной температуре

4.2 При температуре основного процесса ТCdTe = 1000 К

Таблица 3.

Логарифм константы равновесия для окисления Cd

Т, К

298

627,383

1000

Представим данные на графике

Рис.7. Зависимость логарифма константы равновесия от обратной температуры для окисления Cd

4.3 Оценка возможности окисления компонентов

При атмосферном давлении:

При уровне вакуума в реакторе 10-10 атм:

Окисление компонента Cd происходит при , следовательно, избежать окисления невозможно и следует искать другие способы добиться этого.

Выводы по работе

Проделав курсовую работу, мы получили практическое освоение современных методов термодинамического анализа процесса выращивания монокристаллов соединения CdTe -p- типа электропроводности из газообразных компонентов.

В пункте 1 настоящей курсовой работы мы анализировали основной процесс, определили температуру рабочего процесса (она равна 1000 К), при этом значение константы равновесия процесса равно 11. Эти данные будут также использованы в пунктах 2 и 3 для построения графиков зависимостей логарифмов реальных отношений давлений компонентов Cd и Te, а также для линий трёхфазного равновесия.

В пункте 2 были проанализированы процессы сублимации компонентов Cd и Te2, определены температуры кипения компонентов, равные 1032,100 К для кадмия и 1623,348 К для теллура.

Из справочных данных известно, что кадмий имеет температуру кипения 1039,8 К, то есть относительная погрешность , что означает, что вычисленная с помощью термодинамического анализа температура почти точно совпадает со справочными данными.

Из тех же справочных данных известно, что теллур имеет температуру кипения 1260,8 К, то есть относительная погрешность , что означает, что найденная с помощью термодинамического анализа температура весьма далека от совпадения со справочными данными.

Также здесь были построены линии трёхфазного равновесия, на которых наглядно видно области -p- и -n- типов электропроводности. Эти же данные были использованы в пункте 3 для определения соотношений парциальных давлений компонентов Cd и Te.

В пункте 3 были рассчитаны парциальные давления компонентов и составлен график зависимости распределения температуры в реакторе и его принципиальная схема. Также были рассчитаны температуры компонентов, которые будут использованы в пункте 4 для определения условий окисления компонента Cd.

Процесс получения соединения CdTe -p- типа электропроводности путём выращивания эпитаксиальных слоёв из газообразных компонентов возможен (с точки зрения термодинамики) при следущих условиях: TCd = 627,383 K, TTe = 906,846 K, TCdTe = 1000 K.

Для получения -p- типа электропроводности должны присутствовать вакансии в подрешётке кадмия и атомы теллура в междоузлии.

В пункте 4 мы анализировали процесс окисления компонента Cd. При указанных в задании степенях откачки реактора окисления избежать невозможно, однако это можно сделать, если повысить температуру реактора со стороны кадмия и откачать воздух до максимального уровня вакуума.

Поделиться статьёй
Поделиться в telegram
Поделиться в whatsapp
Поделиться в vk
Поделиться в facebook
Поделиться в twitter
Эдуард Крюков
Эдуард Крюков
20 лет назад окончил ЗабГУ, энергетический факультет. По специальности работаю 15 лет, имею степень кандидата наук. За это время написал 12 научных статей. В свободное время работаю на этом сайте и помогаю студентам в написании дипломных и курсовых работ. в компании «Диплом777» зарегистрирован с 2018 года, очень доволен сотрудничеством за хорошую возможность удаленного заработка.

Ещё статьи

Нет времени делать работу? Закажите!
Вид работы
Тема
Email

Отправляя форму, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и обработкой ваших персональных данных.