Діаграми стану з евтектичним перетворенням Розглянемо більш детально діаграму з евтектичним перетворенням (рис 48) Вона складається з шести фазових областей: області рідкої фази L, Двох двофазних областей (рідка фаза L + Твердий розчин α і рідка фаза L

+ Твердий розчин β), двох однофазних областей твердих розчинів α

і β і двофазної області співіснування твердих розчинів α + β

Лініями Ae і Be на діаграмі позначені лінії ліквідусу Лі

Рис 48 Діаграма стану бінарної системи, що утворює тверді розчини з евтектикою

нии Ac і Bd – Лінії солідуса при температурах, що перевищують евтектичну температуру Te Горизонтальна евтектична лінія ced є лінією солідуса, але не відповідає реально існуючим фазам за винятком трьох точок: c (Евтектичну перетворення твердого розчину α), d (Евтектичну перетворення твердого розчину β) і e (Евтектичну перетворення рідкої фази) Особливість цієї лінії полягає в тому, що при відповідній їй температурі Te в сплавах складу від c до d в рівновазі перебувають три фази: L + Α + β Лінії ac і bd – Це лінії твердих розчинів граничної концентрації (ac – B в A, аbd – A в B), що існують при температурах нижче евтектичній

При охолодженні сплавів складів від 0 до c ми спочатку проходимо двофазну область L + Α, а потім отримуємо однофазний твердий розчин α При подальшому охолодженні ми можемо або зберегти однофазний твердий розчин α, або, в разі перетину лінії ac, Отримати двофазну суміш α + β, так як в точці перетину сплав знаходиться в стані гранично насиченого розчину, а нижче починається його розпад з виділенням фази β У другому випадку при подальшому охолодженні сплаву в межах двухфазной області одночасно змінюються як склад обох фаз, так і їх кількісне співвідношення Склад фаз характеризують точки перетину горизонтальних ліній з лініями ac і bd, Що обмежують двофазну область кількісне співвідношення фаз визначається правилом важеля Кристалізація сплавів складів від d до B відбувається аналогічно

При охолодженні сплавів складів від c до d при температурі Te (Закінчення кристалізації) відбувається розпад рідини складу e на два твердих розчину α і β з складами c і d по евтектичній реакції

L → α + β При подальшому охолодженні сплавів змінюється склад

Рис 49 Діаграма стану системи InTe-SnTe

кожного твердого розчину α і β по кривих ac і bd відповідно, а кількісне співвідношення фаз визначається правилом важеля

Основними особливостями діаграм евтектичного типу є:

1) зменшення температури плавлення твердого розчину як з боку компонента A, так і з боку компонента B при їх розчиненні один в одному 2) наявність евтектичного перетворення, що полягає в розпаді рідини при охолодженні на дві тверді фази

Діаграми евтектичного типу спостерігаються, наприклад, в системах InTe-SnTe (рис 49) і Si-Au (рис 43)

Діаграми стану з перитектичного перетворенням Якщо температура плавлення твердих розчинів зменшується з боку компонента A (або B), а з боку компонента B (або A) підвищується при їх обмеженої розчинності один в одному, то можливо перитектичне перетворення, Яке являє собою процес утворення фази за рахунок взаємодії двох інших, повністю або частково зникаючих при цьому (рідина реагує з раніше випали кристалами

і утворює новий вид кристалів): L + Α → β Реакція подібного типу

називаєтьсяперитектической

Розглянемо діаграму стану з перитектичного перетворенням (рис 410) Лінія AbB* – Лінія ліквідусу лінії Aa і nB* – Лінії солідуса лінії ac і nd – Лінії твердих розчинів граничної

концентрації, що існують при температурах нижче перитектической температури Tп При температурі Tп в рівновазі перебувають три фази: рідка і дві тверді фази – L + Α + β Горизонтальна лінія ab на

Рис 410 Діаграма стану бінарної системи, що утворює тверді розчини з перітектікой

зиваєтся перитектической горизонталлю і її точки не відповідають реально існуючим фазам (як і на евтектичній горизонталі), крім трьох точок a, n і b

При охолодженні сплавів складів від 0 до a кристалізація відбувається аналогічно кристалізації сплавів складів від 0 до c на діаграмі стану з евтектичним перетворенням

При охолодженні сплавів, склади яких лежать в інтервалі від a до n, Кількість рідкої фази при температурі Tп недостатньо для того, щоб відбулося взаємодія з усією твердою фазою α У підсумку після перитектического перетворення, окрім нової фази β, сплави будуть містити й надмірна кількість кристалів фази α При Tп склад рідкої фази відповідатиме точці b (Точка перитектического перетворення рідини), а склад кристалів – точці a (Точка перитектического перетворення твердого розчину α) Ці обидві фази реагують і дають третю фазу β, склад якої визначається точкою n (Точка перитектического перетворення твердого розчину β) Кількісне співвідношення фаз, що беруть участь в перитектической реакції, визначається правилом важеля При подальшому охолодженні сплави являють собою механічну суміш твердих розчинів α + β, склади яких змінюються по кривих ac і nd відповідно, а кількісне співвідношення фаз визначається правилом важеля

Аналогічно для сплавів, склади яких лежать в інтервалі від n до b, Кількість фази α при Tп мало в порівнянні з кількістю рідкої фази В результаті перитектического перетворення ми отримаємо двофазну систему L + Β При подальшому зниженні температури склад

рідкої фази змінюється по лінії bB*, А склад утворюються кристалів – по nB* Кількісне співвідношення фаз визначається правилом

Рис 411 Діаграма стану системи InSe-GaSe

важеля Важливою особливістю системи з перітектікой є те, що при температурі Tп кристалізація ряду складів сплаву завершується не повністю Для сплавів складу від n до b кристалізація завершується на лінії nB* При температурах нижче Tп і при цьому утворюється твердий розчин β

Подібного типу діаграми стану рідко зустрічаються в напівпровідникових системах, проте, прикладом може служити система InSe-GaSe (рис 411) За перитектической реакції в цій системі утворюється β фаза (InGa2Se3)

Діаграми стану з хімічними сполуками У відповідності зі сказаним вище при сильному хімічному спорідненості компонентів системи їх взаємодія призводить до утворення хімічної сполуки Діаграми стану з хімічними сполуками розрізняють за двома ознаками: 1) за співвідношенням складів зєднання і рідкої фази, що утворюється при плавленні цього зєднання 2) по здатності зєднання розчиняти в собі інші компоненти, в тому числі і складові дане зєднання, тобто по ширині області гомогенності (за величиною області концентрацій, в якій може існувати зєднання, зберігаючи свою однофазних)

Конгруентно і інконгруентний плавящиеся зєднання Сполуки, для яких склади зєднання і рідкої фази, що утворюється при плавленні цього зєднання, збігаються, називаються конгруентно плавкими Температура плавлення таких сполук лежить на чи

Рис 412 Діаграма стану системи з одним конгруентно плавиться зєднанням

нии ликвидуса, а сама лінія має вигляд кривої з максимумом (точка M), який у першому наближенні відповідає складу зєднання (рис 412) У простому випадку двокомпонентної системи (компоненти системи A і B), у якій утворюється тільки одне хімічна сполука AmBі тверді розчини відсутні, діаграму стану можна розглядати як подвійну систему: хімічна сполука розглядається як окремий компонент, обєднуючий дві самостійні фазові діаграми з ЕВТЕКТИКА (на діаграмі стану є дві евтектичні точки E1 і E2):

A + AmBі AmB+ B

Наприклад, система InAs може бути розділена на системи In-InAs і InAs-As (рис 413) Кристалізація сплавів на цій діаграмі відбувається цілком аналогічно кристалізації сплавів, що утворюють механічну суміш кристалів «чистих» компонентів Відмінність полягає тільки в тому, що, окрім виділення кристалів «чистих» компонентів A і B, Відбувається ще утворення кристалів хімічної сполуки AmBn

Якщо ж зєднання здатне давати обмежені тверді розчини з компонентами фазової діаграми (у разі напівпровідникових сполук розчинність в них компонентів сполуки, як правило, дуже невелика), то діаграма стану системи буде мати вигляд, представлений на рис 414 На цьому малюнку зображені α і β тверді розчини на основі «чистих» компонентів A і B і γ твердий розчин на основі хімічного зєднання AmBn

В іншому випадку, коли склади рідкої і твердої фаз при плавленні не збігаються, сполуки називаються інконгруентний плавкими

Рис 413 Діаграма стану системи In-As з конгруентно плавиться зєднанням InAs

Рис 414 Діаграма стану системи з одним конгруентно плавиться зєднанням і обмеженими твердими розчинами з ЕВТЕКТИКА

ся Інконгруентний плавящиеся сполуки характеризуються тим, що при плавленні тверда фаза перетворюється на дві фази – рідку і тверду, склади яких лежать по обидві сторони складу вихідної сполуки (Зєднання AmB(Точка J ) І зєднання GaTe3 на рис 415,а, б) Плавлення інконгруентний плавящихся сполук йде як перетворення перитектического типу, але плавиться не нове твердий розчин, як при перитектической реакції, а хімічна сполука Температура плавлення зєднання при цьому лежить нижче лінії ліквідусу, в результаті чого остання не має максимуму, повязаного з зєднанням

1 Ширина області гомогенності Існують сполуки з широкою областю гомогенності (одиниці-десятки атомних відсотків), наприклад, зєднання Sb2Te3 в системі Sb-Te (рис 416) Існують сполуки з вузькою областю гомогенності (соті і тисячні частки відсотків), наприклад, зєднання InAs в системі In-As (рис 413) Напівпровідникові сполуки групи AIVBVI займають проміжне положення Для них характерна ширина області гомогенності порядку

01 ат%

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002