Розглянемо найпростішу фазову діаграму з необмеженої розчинністю компонентів один в одному на прикладі системи Ge-Si (рис 41) Під терміном необмежена розчинність мається на увазі те, що компоненти Ge і Si системи необмежено розчиняються один в одному в рідкому і твердому станах і утворюють безперервний ряд твердих розчинів заміщення3

Лінію AaB на рис 41, вище якої всі сплави знаходяться в рідкому стані, називають лінією ліквідусу Лінію AbB, Нижче якої сплави перебувають у твердому стані (твердий розчин α), називають лінією солідуса Область, обмежена лініями ліквідусу і солідусу, являє собою двофазну область, в якій співіснують рідка і тверда фази (L + α)

Будь точка на діаграмі стану, звана фігуративного, Характеризує стан сплаву Проекція точки на вісь X вказує склад сплаву, а проекція на вісь T – Температуру, при якій він розглядається

Якщо фігуративний точка знаходиться в однофазної області, то склад фази збігається зі складом сплаву Якщо фігуративний точка m знаходиться в двофазної області, то склад фаз, що у рівновазі при даній температурі, визначається за допомогою Коноді Коноді – Це відрізок ізотерми, що проходить через дану фігуративну точку m і увязнений в межах двухфазной області (відрізок amb на рис 41) Склади фаз, що у рівновазі при даній температурі, визначаються за абсцис точок перетину Коноді з лініями ліквідусу

3Прі необмеженої розчинності будь-яку кількість атомів Ge може бути замінено атомами Si Якщо збільшувати концентрацію атомів Si, то все більше і більше атомів Si перебуватиме у вузлах решітки замість атомів Ge Це буде відбуватися до тих пір, поки всі атоми Ge НЕ будуть замінені атомами Si і, таким чином, як би плавно здійсниться перехід від Ge до Si

(Точка a – Склад рідкої фази XL) І солідуса (точка b – Склад твердої фази XS )

Кількісне співвідношення фаз, що у рівновазі при даній температурі, визначається за допомогою правила важеля Це правило говорить: ставлення масових кількостей Q фаз, що у рівновазі при даній температурі, обернено пропорційно відношенню відрізків Коноді, укладених між фігуративного точкою сплаву і фігуративними точками, визначальними склади відповідних фаз (див рис 41):

QL/QS = mb/ma                                    (42)

Розглянемо тепер кристалізацію сплаву Ge-Si, що містить, наприклад, 70% Si (Xm на рис 41) Вище температури T1 сплав знаходиться в рідкому стані (L) І при охолодженні до T1 не зазнавав фазових перетворень Починаючи з T1 розчин виявляється пересиченим кремнієм, і з нього починає виділятися твердий розчин α, більш багатий Si, ніж вихідна рідина L Тому в результаті кристалізації розплав збіднюється Si Перші виділяються кристали мають склад, що відповідає точці 3 (90% Si і 10% Ge) У міру охолодження від T1 до T2 відбувається подальша кристалізація сплаву, в ході якої кількість рідкої фази зменшується, а твердою збільшується При T2 зникають останні краплі розплаву У ході кристалізації від T1 до T2 склади рідкої і твердої фаз безперервно змінюються Якщо процес кристалізації йде з дуже малою швидкістю (так, що перетворення встигають відбутися відповідно до рівноважної діаграмою стану), то склад рідкої фази змінюється по лінії ліквідусу від точки 2 до точки 1, А склад твердої фази – по лінії солідуса від точки 3 до точки 4 До кінця кристалізації твердий розчин має склад, рівний складу вихідної рідини

Діаграми з необмеженою розчинністю компонентів A і B один в одному зустрічаються в системах, компонентами яких є як хімічні елементи, так і зєднання (див рис 41 і рис 42) Для освіти таких діаграм обидва компоненти системи повинні мати однаковим типом хімічного звязку, однаковим типом кристалічних граток і атомами, розміри яких відрізнялися б не більше ніж на 10-15% (чому – Див нижче) Прикладами напівпровідникових систем з необмеженою розчинністю є системи Ge-Si, InAs-InP, GaSb-InSb, GaAs-GaP, GaAs-InAs, PbTe-SnTe, CdTe-HgTe та ін Тверді розчини цих напівпровідників знаходять широке практичне застосування в якості матеріалів для створення оптоелектронних приладів

Рис 44 Залежність термодинамічної потенціалу від температури для рідкої і твердої фаз однакового складу

Розчини Ge-Si використовуються для створення сучасних НВЧ-транзисторів

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