半导体材料第二章PPT课件

根据实验数据给出的表示相变规律的各种 几何图形称为相图。
可以直观看出多相体系中各种聚集状态和 它们所处的条件（温度，压力，组成）。
相图是材料制备最重要的基础工具
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液体和固体受压力的影响很小，因此半导 体材料的固态、液态或两态并存的聚集状 态可以不考虑压强的作用。
半导体材料制备过程中使用的相图一般只 考虑温度和组分这两个变量。
系统与环境是人为确定的，两者并不是固定不变 的，这主要是由所选择的研究对象而定。
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2相
定义：物质的存在形式，包括物态（固、液、 气）和晶格结构。
把具有相同物理性质和化学性质的一个子系 统称为一个相。或者说系统中具有相同成分、 结构和性能的均匀部分的总和称为相。
举例：生长硅单晶系统中，生长出的硅晶体 称为固相，熔体则称为液相；石墨与金刚石； 半导体性质的灰锡与金属特性的白锡。
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描述相的变量：温度，压强和组分（热力学） 根据相的定义可知，相与相之间有界面，各
相可以用机械方法加以分离，越过界面时性 质发生突变。 相和物质的数量和多少无关，和物质是否连 续无关。 例：硅锭，无论有多少块都属于一个相。
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相的几个特征
1 一个相中可以包含几种物质，也就是几种物质 可以形成一个相。例如固溶体，属于一个相，但 是可以含有多种元素。
举例：将固体硅锭浸润在熔体硅的表面并以适当速
度上提，熔体硅会在固液界面逐渐转变成固体。这 是从液相到固相的转变； 立方结构的碳化硅（3C-SiC）在适当的条件下变成
六方结构的碳化硅（例如6H-SiC）。
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9 相图
对于多相体系，各相间的相互转化，新相 的形成，旧相的消失与温度，压力，组成 有关。
T1
a
溶体b固的相可线能状液固态溶溶体体和在 相同温度
L+S
下有不相
S
同的组分
液相组分
固相组分
xl
xs
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m
t
l
T1
a
b
t2
l2
xl x
xs
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杠杆原理
计算两相成分的相对量 T1 两相的组分比 适用范围：二相区
m
a r
b
x－Si初始状态组分比
第二章 半导体材料制备理论基础
2.1 相 图
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2.1.1 基本概念
1 系统
系统就是我们所选择的研究对象，除了系统以外 的一切物质都叫环境。
举例：对于用提拉法生长单晶硅来说，如果是为 了研究晶体与熔体之间的各种关系，则晶体和熔 体两者就是系统，而加热器，循环冷却水，炉内 的保护气氛等都算环境；如果为了研究晶体、体 和气氛三者之间的相互关系，则晶体，熔体和气 氛三者作为系统，其余的都算环境，
对于一个复相体系，要定量描述这三个变 量之间的全部关系是困难的。
实际使用的相图都是直接根据实验数据绘 制的。
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研究相平衡基本方法
研究相平衡最常用的两种基本方法是动态 法和静态法。
应用最多最普遍的动态法是热分析法； 热 分析法的原理就是局域物质在加热和冷却 过程中发生相变时必然伴随有热效应，利 用这个热效应测定冷却曲线（步冷曲线） 和进行热差分析，由此确定相变温度与相 变过程 。
举例：NaCl和KNO3的水溶液 NaCl+KNO3=NaNO3+KCl,
该体系的组元数有5个，但有两个限制条件， 独立组元数为3。 系统的独立组元数只能等于或者小于组元数。 通常把具有n个独立组元的系统称为n元系统
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5 自由度
自由度是指一个平衡体系的可变因素（如 成分、温度、压力等）的数目。
这些因素在一定范围内可以任意改变，而 不会使任何旧的相消失，也不使任何新相 产生。一个系统有几个这样的独立变数， 就有几个自由度。
2 一种物质可以有几个相（硅可以是液相的，固 相的或者气相的）
3 固体机械混合物中有几种物质就有几个相。 （硅单晶和锗单晶混合在一起）
4 一个相可以连续成一个整体，也可以不连续
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3 组元
系统中每个可以独立分离出来并能独立存 在的化学均匀物质称为组元。
举例：氯化钠水溶液，NaCl和H2O都是组 元，因为可以独立分离出来并能独立存在 化学性质均匀。但是Na+、Cl-、H+、OH却不能算作组元，因为他们都是不能作为 独立的物质存在的。
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热分析法测量相图的装置示意图
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以Si和Ge构成的合金为例
Ge50％ Ge30％ Si100％ Si50％ Si70％ Ge70％ Si30％
t4 t2 t3 Ge100％ t1 t0 a0958
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ18
2.1.3 二元系相图的分析
1 相图的内容
任意点代表液态Ge-Si共 溶体的可能状态
L
任意液点相代线表固态两合Ge点，-S不表i共重明
组分变量通常用原子百分比来表示。对于 一个二元系，组分坐标轴（横轴）的两个 端点分别代表两个纯组元。相图上，纵坐 标通常表示温度。
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2.1.2 相图的测定方法
为了描述一个体系的平衡状态必须首先知 道体系中每一个相的平衡状态。
按照热力学的要求，对一个相，通常要用 温度、压强和组分三个强度变量来描述。
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4 独立组元
凡是在系统内可以独立变化而决定着各相 成分的组元，就称为独立组元 。
在没有组分间关系限制条件的体系中，体 系的独立组元数就等于它的组元数。氯化钠
水溶液的组元数为2，独立组元数也是2
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如果体系存在化学反应或是其他组分间关系 的限制条件（例如浓度），那它的独立组元 数就不等于组元数，而是组元数减去组分间 关系的限制条件数。
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6 平衡态
当一个系统的各个热力学参量在不受外界 条件的影响下，不再随时间而变化，我们 就称这个系统处在平衡状态下。
热力学中平衡体系应该满足力学平衡，热 平衡，相平衡条件。
力学平衡要求压强相等；热平衡要求温度 相等；相平衡要求平衡相的化学势相等。
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7 相平衡
在一个多相体系中，如果他的各个相关相之间彼 此互相转化的速率都相等，也就是各个物质在每 一相中的化学势都相等，我们就说这个体系处于 相平衡状态。
研究相平衡也就是研究平衡系统中相的数目，状 态和性质与各个变数之间的关系。
相平衡是相对的，有条件的。在相平衡状态时， 同一相内成分必须时均匀的，恒定的，温度也必 须是恒定的，其他影响平衡的外界条件，诸如电 场，磁场都必须是不变的。
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8 相变
在一定条件下，两个相互接触的相之间宏观 的物质变动。