एक बहु-घटक प्रणाली का चरण आरेख। चरण संक्रमण। राज्य आरेख। ट्रिपल प्वाइंट चरण आरेख
एक-घटक विषम प्रणाली एकत्रीकरण या बहुरूपी संशोधनों के विभिन्न राज्यों में एक पदार्थ है। गिब्स चरण नियम के अनुसार, K = 1, C = 3 F पर, भौतिक अर्थ के अनुसार, C 0 को देखते हुए, यह स्पष्ट है कि F 3, अर्थात। एक-घटक विषम प्रणाली में एक साथ मौजूदा चरणों की संख्या तीन से अधिक नहीं हो सकती है। बहुरूपता की अनुपस्थिति में, ये तरल, ठोस और वाष्पशील चरण होते हैं। ऐसी प्रणाली में दो-चरण संतुलन संभव है "तरल - वाष्प", "ठोस - वाष्प" और "ठोस - तरल"। इनमें से प्रत्येक संतुलन को संबंधित प्रक्रियाओं के लिए क्लैपेरॉन-क्लॉसियस समीकरणों द्वारा स्थापित पैरामीटर पी और टी के बीच एक निश्चित संबंध द्वारा विशेषता है: वाष्पीकरण, उत्थान और पिघलने।
भौतिक-रासायनिक विश्लेषण के तरीकों से इन संबंधों को अनुभवजन्य रूप से भी स्थापित किया जा सकता है। उन्हें वक्र P = f (T) के रूप में, दबाव-तापमान समन्वय अक्षों में रेखांकन के रूप में दर्शाया गया है।
विभिन्न पी और टी पर चरण संतुलन के राज्यों का एक ग्राफिक प्रतिनिधित्व कहा जाता है राज्य आरेख, या चरण आरेख... आइए एक उदाहरण के रूप में पानी और सल्फर के चरण आरेखों पर विचार करें।
4.5.1. पानी का चरण आरेख
तापमान और दबाव की एक विस्तृत श्रृंखला में पानी की स्थिति की जांच की गई है। यह ज्ञात है कि भौतिक स्थितियों (पी और टी) के आधार पर, उच्च दबाव पर बर्फ विभिन्न क्रिस्टलीय संशोधनों में हो सकता है। बहुरूपता नामक यह घटना कई अन्य पदार्थों में निहित है। हम कम दबाव (2000 एटीएम तक) पर पानी की स्थिति के आरेख पर विचार करेंगे।
आरेख में तीन चरण फ़ील्ड हैं ( चावल। 4.1):
तरल का AOB क्षेत्र,
VOS (वक्र के नीचे) असंतृप्त भाप का क्षेत्र,
एओसी ठोस चरण का क्षेत्र है।
चावल। 4.1.पानी का चरण आरेख
क्षेत्र में किसी भी बिंदु पर, प्रणाली एकल-चरण और द्विचर है (K = 1; = 1; = 2), अर्थात। कुछ सीमाओं के भीतर, आप चरणों की संख्या और उनकी प्रकृति को बदले बिना तापमान और दबाव को बदल सकते हैं। उदाहरण के लिए, बिंदु 1 तरल पानी से मेल खाता है, जिसके पैरामीटर t 1 और P 1 हैं।
यदि प्रणाली में संतुलन में दो चरण हैं, तो K = 1; = 2; सी = 1, यानी। प्रणाली मोनोवेरिएंट है। इसका मतलब है कि एक पैरामीटर को कुछ सीमाओं के भीतर मनमाने ढंग से बदला जा सकता है, जबकि दूसरे को पहले के आधार पर बदलना होगा। यह निर्भरता वक्र = f (Т) द्वारा व्यक्त की जाती है: वाष्पीकरण (या संक्षेपण) वक्र; उच्च बनाने की क्रिया का ओएस-वक्र (या उच्च बनाने की क्रिया); एओ पिघलने (या जमना) वक्र। उदाहरण के लिए, बिंदु 2 एक संतुलन प्रणाली की विशेषता है जिसमें पानी और संतृप्त जल वाष्प तापमान t 2 और दबाव 2 पर संतुलन में हैं। यदि 2 = 1 atm, तो t 2 को प्रसामान्य क्वथनांक कहते हैं।
OM पानी का वाष्पीकरण वक्र महत्वपूर्ण बिंदु (B) पर t = 374C और P = 218 atm पर टूट जाता है। इस बिंदु से ऊपर, तरल और वाष्पशील पानी गुणों में अप्रभेद्य हैं। यह डी.आई. द्वारा स्थापित किया गया था। 1860 में मेंडेलीव
2047 एटीएम तक के दबाव में एआर बर्फ के पिघलने की अवस्था में बाएं हाथ का ढलान होता है, जो V f.p की स्थिति से मेल खाता है।< 0 (мольный объем льда >पानी की दाढ़ की मात्रा)। ऐसी बर्फ पानी से हल्की होती है, पानी पर तैरती है, इसलिए जीवित जीवों को प्राकृतिक जलाशयों में संरक्षित किया जाता है जो नीचे तक जमते नहीं हैं। उच्च दबाव पर, बर्फ सघन संशोधनों में बदल जाती है, फिर AO पिघलने वाला वक्र दाईं ओर झुक जाता है। बर्फ के सात ज्ञात क्रिस्टलीय संशोधन हैं, जिनमें से छह का घनत्व तरल पानी की तुलना में अधिक है। उनमें से अंतिम 21680 एटीएम के दबाव में दिखाई देता है। बर्फ के एक रूप का दूसरे रूप में परिवर्तन एक एनेंटियोट्रोपिक संक्रमण है (बहुरूपता के बारे में नीचे देखें)।
बिंदीदार वक्र D (ОВ की निरंतरता) मेटास्टेबल संतुलन की विशेषता है: सुपरकूल्ड पानी संतृप्त भाप।
मेटास्टेबल संतुलन कहा जाता है, जिस पर चरण संतुलन के सभी बाहरी संकेत होते हैं, लेकिन सिस्टम की आइसोबैरिक क्षमता न्यूनतम पूर्ण मूल्य तक नहीं पहुंच पाई है और आगे घट सकती है।पानी, अशुद्धियों पर क्रिस्टलीकृत होकर, बर्फ में बदल जाएगा। प्वाइंट ट्रिपल पॉइंट। हवा की अनुपस्थिति में पानी के लिए इसका निर्देशांक: पी = 4.579 मिमी एचजी। कला।, टी = 0.01C। 1 बजे हवा की उपस्थिति में, तीन चरण 0 डिग्री सेल्सियस पर संतुलन में होते हैं। इस मामले में, कुल दबाव 1 एटीएम है, लेकिन जल वाष्प का आंशिक दबाव 4.579 मिमी एचजी है। कला। हिमांक में 0.01º की कमी दो कारणों से होती है: पानी में हवा की घुलनशीलता ("समाधान के हिमांक को कम करना" अनुभाग देखें) और तरल पदार्थ के हिमांक पर कुल दबाव का प्रभाव (में वृद्धि) सिस्टम में कुल दबाव इसे कम करता है)। यह एकमात्र बिंदु है जहां तीनों चरण संतुलन में हैं: पानी, बर्फ और भाप। इस बिंदु पर, सिस्टम अपरिवर्तनीय है: सी = 0।
चरण रूपांतरण की योजनाएं
चरण राज्य की बुनियादी अवधारणाएँ
क्षेत्र के विकास की प्रक्रिया में, संरचनाओं में दबाव और गैस और तेल का मात्रात्मक अनुपात लगातार बदल रहा है। यह उनके पारस्परिक संक्रमण के साथ गैस और तरल चरणों की संरचना में निरंतर परिवर्तन के साथ है।
इस तरह के परिवर्तनों की विशेष रूप से गहन प्रक्रियाएं कुएं के साथ तेल की आवाजाही के दौरान होती हैं। दबाव में तेजी से गिरावट के कारण, तेल से एक महत्वपूर्ण मात्रा में गैस निकलती है, और वेलहेड के पास प्रवाह कभी-कभी गैसीय माध्यम में तेल की बूंदों के बारीक बिखरे हुए निलंबन में बदल जाता है।
उपभोक्ता को तेल की आगे की आवाजाही भी निरंतर चरण परिवर्तनों के साथ होती है, उदाहरण के लिए, तेल से जिसमें अब गैस नहीं होती है, वे भंडारण के दौरान वाष्पीकरण से तेल उत्पादों के नुकसान को कम करने के लिए सबसे अस्थिर तरल अंशों को निकालने और पकड़ने की कोशिश करते हैं। टैंकों में।
प्राकृतिक हाइड्रोकार्बन प्रणालियों में बड़ी संख्या में घटक होते हैं, और ये न केवल पैराफिनिक हाइड्रोकार्बन हैं, बल्कि अन्य समूहों से संबंधित हाइड्रोकार्बन भी हैं। हाइड्रोकार्बन के मिश्रण की चरण अवस्था इसकी संरचना के साथ-साथ व्यक्तिगत घटकों के गुणों पर निर्भर करती है।
दबाव में एक बहुघटक मिश्रण (छवि 21) का एक विशिष्ट चरण आरेख - तापमान निर्देशांक में एक लूप जैसा रूप होता है, अर्थात। एक शुद्ध पदार्थ के संबंधित चरण आरेख से भिन्न होता है, जिसे एक नीरस रूप से बढ़ते वक्र अवतल के रूप में दर्शाया जाता है जो एक छोर (महत्वपूर्ण) बिंदु के साथ तापमान अक्ष पर होता है। इस आरेख की विशेषताओं की चर्चा के लिए आगे बढ़ने से पहले, आइए हम इस आरेख से जुड़ी कुछ महत्वपूर्ण भौतिक अवधारणाओं की परिभाषा दें।
"महत्वपूर्ण बिंदु" (बिंदु प्रतिअंजीर में। 21) दबाव और तापमान के मूल्यों से मेल खाती है जिस पर प्रत्येक चरण के गुण समान हो जाते हैं।
"क्रांतिक तापमान" - महत्वपूर्ण बिंदु के अनुरूप तापमान।
"गंभीर दबाव" - महत्वपूर्ण बिंदु के अनुरूप दबाव।
"तीव्र गुण" वे गुण हैं जो प्रश्न में पदार्थ की मात्रा पर निर्भर नहीं करते हैं।
"व्यापक गुण" वे गुण हैं जो प्रश्न में पदार्थ की मात्रा के सीधे आनुपातिक हैं।
"वक्र एक्वथनांक "- दबाव और तापमान के अनुरूप बिंदुओं से गुजरने वाला एक वक्र जिस पर किसी पदार्थ के तरल अवस्था से दो-चरण राज्य के क्षेत्र में संक्रमण के दौरान पहला गैस बुलबुला बनता है।
"ओस बिंदु वक्र बी»- दबाव और तापमान के अनुरूप बिंदुओं से गुजरने वाला एक वक्र, जिस पर किसी पदार्थ के वाष्प अवस्था से दो-चरण राज्य के क्षेत्र में संक्रमण के दौरान तरल की पहली बूंद बनती है।
"दो-चरण क्षेत्र" - क्वथनांक और ओस बिंदु के वक्रों से घिरा क्षेत्र, जिसके भीतर गैस और तरल संतुलन में हैं।
"क्रिकॉन्डेंटर्म" ( एम) - उच्चतम तापमान जिस पर एक तरल और वाष्प संतुलन में सह-अस्तित्व में हो सकते हैं।
"क्रिकोंडेनबार" (एन) - उच्चतम दबाव जिस पर तरल और वाष्प संतुलन में सह-अस्तित्व में हो सकते हैं।
"प्रतिगामी क्षेत्र" (चित्र 21 में भरा क्षेत्र) - कोई भी क्षेत्र जिसके भीतर सामान्य चरण परिवर्तन के विपरीत दिशा में संक्षेपण या वाष्पीकरण होता है।
"प्रतिगामी संघनन" (केडीएम वक्र द्वारा सीमित) का अर्थ है कि तरल संघनित होता है या जब दबाव स्थिर तापमान पर गिरता है (रेखा एबीडी),या निरंतर दबाव में बढ़ते तापमान के साथ (लाइन F गा
"रेट्रोग्रेड वाष्पीकरण" (एनएचके वक्र द्वारा सीमित) का अर्थ है कि भाप उत्पन्न होती है क्योंकि तापमान स्थिर दबाव (रेखा) पर घटता है एजीएफ)या स्थिर तापमान पर बढ़ते दबाव के साथ (लाइन डीबीए)।
"निरंतर मात्रा की रेखा" (गुणवत्ता रेखाएं) - दो-चरण क्षेत्र के भीतर समान वॉल्यूमेट्रिक तरल सामग्री के बिंदुओं से गुजरने वाली रेखाएं।
अंजीर की एक परीक्षा से। 21 कुछ महत्वपूर्ण प्रेक्षण किए जा सकते हैं। क्वथनांक वक्र और ओस बिंदु वक्र महत्वपूर्ण बिंदु पर अभिसरण करते हैं। क्वथनांक वक्र प्रणाली में 100% तरल सामग्री से मेल खाती है, और ओस बिंदु वक्र 100% गैस सामग्री से मेल खाती है। छायांकित क्षेत्र प्रतिगामी घटना के क्षेत्र के अनुरूप हैं। बिंदु K . से गुजरने वाले वक्रों से घिरा क्षेत्र बीएमडी,इज़ोटेर्मल प्रतिगामी संघनन के क्षेत्र से मेल खाती है।
इसकी सभी विशेषताओं के साथ चरण आरेख (चित्र। 21.) किसी भी बहु-घटक मिश्रण में निहित है, लेकिन इसके लूप की चौड़ाई और महत्वपूर्ण बिंदु का स्थान, और इसलिए प्रतिगामी क्षेत्र, मिश्रण की संरचना पर निर्भर करते हैं।
तेल क्षेत्र के दृष्टिकोण से, बहु-घटक प्रणालियों को मोटे तौर पर तेल और गैस में विभाजित किया जाता है। इसके अलावा, मल्टीकंपोनेंट सिस्टम को उस स्थिति के अनुसार उप-विभाजित किया जाता है जिसमें हाइड्रोकार्बन मिश्रण बनता है और सतह पर निकाले जाने के बाद।
जलाशय हाइड्रोकार्बन मिश्रण की चरण स्थिति और क्षेत्र के विकास के दौरान उनके चरण व्यवहार की विशेषताएं जलाशय के दबाव और तापमान के साथ-साथ मिश्रण की संरचना द्वारा निर्धारित की जाती हैं।
यदि मिश्रण का जलाशय का तापमान T pl क्रिकॉन्डेनथर्म . से अधिक है एम(डॉट एफ) और क्षेत्र के विकास की प्रक्रिया में दबाव गिरता है (लाइन एफटी 4), तो यह मिश्रण हर समय एकल-चरण गैसीय अवस्था में रहेगा। इस तरह के मिश्रण से गैस क्षेत्र बनते हैं।
यदि जलाशय का तापमान क्रांतिक और समद्विबाहु तापमान के बीच है, तो ऐसे मिश्रणों को गैस घनीभूत कहा जाता है। इस मामले में, प्रारंभिक जलाशय और संक्षेपण की शुरुआत के दबाव के बीच के अनुपात पर निर्भर करता है (बिंदु वी) तीन प्रकार के गैस घनीभूत जमा का अस्तित्व संभव है: जलाशय का दबाव अधिक हो सकता है (एकल चरण असंतृप्त), (एकल चरण संतृप्त) या कम (दो चरण) संक्षेपण की शुरुआत के दबाव के बराबर।
यदि जलाशय का तापमान महत्वपूर्ण मिश्रण तापमान से नीचे है, अर्थात। महत्वपूर्ण बिंदु के बाईं ओर स्थित है, तो ऐसे मिश्रण तेल क्षेत्रों के लिए विशिष्ट हैं। जलाशय के तापमान और दबाव (क्वथनांक वक्र के सापेक्ष इन मूल्यों के अनुरूप बिंदु का स्थान) के प्रारंभिक मूल्यों के आधार पर, असंतृप्त, संतृप्त तेलों और गैस कैप वाले क्षेत्रों के साथ तेल क्षेत्रों को प्रतिष्ठित किया जाता है।
जब जलाशय का तापमान क्रिकॉन्डेनथर्म से ऊपर होता है, तो तेल में बड़ी मात्रा में गैसीय और कम उबलते हाइड्रोकार्बन होते हैं और अधिक संकोचन प्रदर्शित करते हैं। ऐसे तेलों को हल्का तेल कहा जाता है। वे एक उच्च गैस-तेल अनुपात और गैस घनीभूत के घनत्व के करीब घनत्व से प्रतिष्ठित हैं।
तेल।हाइड्रोकार्बन के मिश्रण जो जलाशय की स्थिति में तरल होते हैं, तेल कहलाते हैं। सतह पर संकोचन की मात्रा से तेल कम और उच्च संकोचन के साथ हो सकते हैं।
कम संकोचन तेल के लिए चरण आरेख अंजीर में दिखाया गया है। 22. इस आरेख से दो मुख्य विशेषताएं उभरती हैं। महत्वपूर्ण बिंदु क्रिकोन्डेनबारा के दाईं ओर स्थित है, और मिश्रण में समान मात्रा में तरल सामग्री की रेखाएं ओस बिंदु वक्र के निकट स्थित हैं। इसके अलावा, वायुमंडलीय दबाव और जलाशय के तापमान पर, मिश्रण दो चरण की स्थिति में होता है। मरम्मत की शर्तों के तहत, मिश्रण से एक महत्वपूर्ण मात्रा में तरल प्राप्त होता है, भले ही मिश्रण में इसकी मात्रा बहुत कम हो। यह घटना कम दबाव पर गैस चरण के महत्वपूर्ण विस्तार के कारण है। इस चरण आरेख की एक विशिष्ट विशेषता मिश्रण में अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में भारी घटकों की उपस्थिति है।
"प्रारंभिक जलाशय की स्थिति के आधार पर, तेलों को संतृप्त और असंतृप्त में विभाजित किया जाता है। यदि प्रारंभिक जलाशय की स्थिति बिंदु के अनुरूप है एक्वथनांक (चित्र 22) के वक्र पर, इसलिए, तेल पूरी तरह से गैस से संतृप्त होता है।
जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, जब दबाव एक असीम मान से कम हो जाता है, तो संतृप्त तेल से गैस निकलती है। यदि प्रारंभिक स्थितियां क्वथनांक के वक्र के ऊपर स्थित बिंदु A / के अनुरूप हैं, तो तेल गैस से असंतृप्त है। इस असंतृप्त तेल से गैस का विकास शुरू होने के लिए, दबाव को एक महत्वपूर्ण मात्रा (बिंदु ए तक) से कम करना चाहिए।
उच्च संकोचन वाले तेल में कम संकोचन वाले तेल की तुलना में अधिक हल्के हाइड्रोकार्बन होते हैं। ऐसे तेलों के लिए महत्वपूर्ण तापमान जलाशय के तापमान के करीब है, और मिश्रण में समान वॉल्यूमेट्रिक तरल सामग्री की रेखाएं ओस बिंदु वक्र के पास कम बारीकी से समूहीकृत होती हैं।
उच्च संकोचन तेल के लिए एक विशिष्ट चरण आरेख अंजीर में दिखाया गया है। 23. इस मामले में, गठन और सतह दोनों में, दबाव में कमी के परिणामस्वरूप काफी कम मात्रा में द्रव प्राप्त होता है। यह तेल या तो संतृप्त (बिंदु ए) या असंतृप्त (बिंदु .) हो सकता है ए")गैस।
"चरण आरेखों के अलावा हाइड्रोकार्बन के विभिन्न वर्गों को संरचना, उत्पादित तरल और गैस कारक की विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण द्वारा विशेषता दी जा सकती है।
छोटे संकोचन वाले तेलों में ~ 180 . के गैस कारक होते हैं एम 3 / एम 3,एक विशिष्ट गुरुत्व 0.80 जी / सेमी 3और अधिक। उच्च संकोचन तेलों का गैस अनुपात 180 से 1400 . होता है एम 3 / एम 3,विशिष्ट गुरुत्व 0.74-0.80 जी / सेमी 3.... अधिकांश जलाशय प्रणालियों का वर्गीकरण जलाशय मिश्रण के नमूनों के विस्तृत अध्ययन के बाद ही किया जा सकता है।
विचार करना पी− टी− एक्सबाइनरी सिस्टम के लिए आरेख। गहन अध्ययन कार्य पी− टी− एक्सचरण आरेखों से पता चला है कि कई मामलों में उच्च दबाव (दसियों और सैकड़ों हजारों वायुमंडल) के उपयोग से चरण आरेख के प्रकार में परिवर्तन होता है, चरण और बहुरूपी परिवर्तनों के तापमान में तेज परिवर्तन, उपस्थिति के लिए वायुमंडलीय दबाव पर किसी दिए गए सिस्टम में अनुपस्थित नए चरणों की। इसलिए, उदाहरण के लिए, उच्च तापमान पर ठोस अवस्था में असीमित घुलनशीलता वाला एक आरेख और कम तापमान पर दो ठोस समाधानों α1 + α2 में एक ठोस समाधान α का अपघटन धीरे-धीरे बढ़ते दबाव के साथ एक यूटेक्टिक के साथ एक आरेख में बदल सकता है (चित्र देखें। 4.18, ए) अंजीर में। 4.18, बी Ga - P प्रणाली का चरण आरेख दिखाता है, जिसमें अर्धचालक यौगिक GaP बनता है। दबाव के आधार पर, यह यौगिक सर्वांगसम या असंगत रूप से पिघल सकता है। दोहरे आरेख की उपस्थिति तदनुसार बदल जाती है। टी− एक्सविभिन्न समदाब रेखीय वर्गों में ट्रिपल पी− टी− एक्सचार्ट।
व्यवहार में, विशाल पी− टी− एक्सचार्ट बहुत कम ही बनाए जाते हैं। आमतौर पर त्रि-आयामी में चरण परिवर्तन पी− टी− एक्सएना आरेख
चावल। 4.18. ए- पी− टी− एक्सआरेख; बी- पी− टी− एक्सस्थिति आरेख
Ga-P सिस्टम में सर्वांगसम और असंगत रूप से पिघलने वाले GaP यौगिक के साथ
दबाव पर निर्भर करता है।
विमान पर उनके अनुमानों का उपयोग करके lyse पी− टी, टी− एक्सतथा पी− एक्स, साथ ही तापमान या दबाव के निरंतर मूल्यों पर विभिन्न क्रॉस-सेक्शन (अंजीर देखें। 4.18, ए).
ध्यान दें कि सिस्टम में चरण परिवर्तनों का विश्लेषण करते समय, किसी को अंतर करना चाहिए पी− टी− एक्सचरण आरेख जिसमें हदबंदी दबाव पी Dis9 थोड़ा और पीचरण आरेख पर बाहरी दबाव होता है और जिसमें पृथक्करण दबाव अधिक होता है और पी- यह पीजिला उन प्रणालियों में जिनके घटकों में कम पृथक्करण दबाव होता है और जिसमें मिश्रण का अधिकतम गलनांक सबसे कम क्वथनांक से नीचे होता है (सिस्टम में कोई वाष्पशील घटक नहीं होते हैं), चरण परिवर्तनों के दौरान गैस चरण की भूमिका की उपेक्षा की जा सकती है। यदि किसी भी घटक का पृथक्करण दबाव अधिक है (सिस्टम में अत्यधिक वाष्पशील घटक होते हैं), तो गैस चरण की संरचना को लिक्विडस के ऊपर और नीचे दोनों तापमानों पर ध्यान में रखा जाना चाहिए।
आइए चरण आरेखों पर करीब से नज़र डालें। पीडिस् - टी− एक्सउच्च के साथ
हदबंदी दबाव (अस्थिर घटकों के साथ चरण आरेख)। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स में वाष्पशील घटकों वाले यौगिकों की बढ़ती भूमिका के संबंध में उनका ध्यान बढ़ गया है। उदाहरण के लिए, इनमें IIIIBV यौगिक शामिल हैं जिनमें वाष्पशील घटक फास्फोरस और आर्सेनिक, IIIBVI यौगिक जिसमें पारा होता है, AIVBVI युक्त सल्फर, आदि शामिल हैं।
सभी अर्धचालक यौगिकों में समरूपता का कमोबेश विस्तारित क्षेत्र होता है, अर्थात वे अपने आप में घुलने में सक्षम होते हैं
9 पीदी गई स्थितियों के लिए डिस - संतुलन संतुलन में सभी चरणों के पृथक्करण का दबाव। यदि सिस्टम में एक अत्यधिक अस्थिर घटक है पीडिस सिस्टम के अत्यधिक अस्थिर घटक का संतुलन हदबंदी दबाव है।
स्टोइकोमेट्रिक संरचना से अधिक का कोई भी घटक; या तीसरा घटक।
स्टोइकोमेट्रिक संरचना से कोई भी विचलन विद्युत गुणों को प्रभावित करता है (देखें अध्याय 3)। इसलिए, वांछित गुणों के साथ एक अस्थिर घटक वाले क्रिस्टल के पुनरुत्पादन योग्य उत्पादन के लिए, किसी दिए गए संरचना के प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य यौगिकों को प्राप्त करना भी आवश्यक है।
हालांकि, यौगिक के घटकों में से एक की अस्थिरता रिक्तियों के गठन के कारण स्टोइकोमेट्रिक संरचना से विचलन की ओर ले जाती है - आयनिक या कैशनिक - किस घटक के उच्च पृथक्करण दबाव के आधार पर और, तदनुसार, अन्य घटक की अधिकता . जैसा कि च में चर्चा की गई है। 3, कई यौगिकों में रिक्तियां स्वीकर्ता या दाता स्तर बना सकती हैं, जिससे भौतिक गुण प्रभावित होते हैं।
ए और बी पदों में रिक्तियों के गठन की ऊर्जा व्यावहारिक रूप से कभी भी समान नहीं होती है; इसलिए, आयनिक और धनायनित रिक्तियों की एकाग्रता भी भिन्न होती है, और यौगिक की समरूपता का क्षेत्र स्टोइकोमेट्रिक संरचना के संबंध में असममित हो जाता है। तदनुसार, लगभग सभी यौगिकों के लिए, अधिकतम गलनांक स्टोइकोमेट्रिक संरचना के मिश्र धातु के अनुरूप नहीं होता है। 10
अस्थिरता के कारण एक यौगिक की संरचना में परिवर्तन को रोका जा सकता है यदि यह बढ़ते तापमान पर पृथक्करण दबाव के बराबर वाष्पशील घटक के बाहरी दबाव में पिघल या घोल से उगाया जाता है। इस स्थिति का उपयोग करके चुना जाता है पीडिस् - टी– एक्सआरेख।
मिश्र धातुओं में एक अस्थिर घटक का पृथक्करण दबाव इसकी संरचना पर दृढ़ता से निर्भर करता है, एक नियम के रूप में, यह इस घटक की एकाग्रता में कमी के साथ घटता है, उदाहरण के लिए, इन-एज़ सिस्टम के लिए (आर्सेनिक का पृथक्करण दबाव कम हो जाता है परिमाण के लगभग चार क्रम आर्सेनिक की मात्रा में 100 से 20% तक की कमी के साथ। नतीजतन, यौगिक में वाष्पशील घटक का पृथक्करण दबाव समान तापमान पर शुद्ध घटक पर पृथक्करण दबाव से बहुत कम होता है।
इस यौगिक को प्राप्त करने के लिए दो-तापमान योजना में इस परिस्थिति का उपयोग किया जाता है। एक ओवन में दो तापमान क्षेत्र बनाए जाते हैं।
10 फिर भी, यौगिकों के लिए, विशेष रूप से एआईआईआई बीवी, समरूपता के एक संकीर्ण क्षेत्र और अधिकांश यौगिकों के साथ, विशेष रूप से एआईवी बीवीआई में, समरूपता क्षेत्र की औसत चौड़ाई के साथ, वास्तविक पिघलने के विचलन के बाद से, समरूपता पिघलने वाले यौगिकों की अवधारणा का उपयोग किया जाता है। स्टोइकोमेट्रिक संरचना के एक यौगिक के गलनांक से एक यौगिक का बिंदु महत्वहीन होता है। ...
चावल। 4.19. पीडिस् - टीअनुभाग पीडिस् - टी− एक्स Pb - S प्रणाली के राज्य आरेख। 1 -
तीन-चरण रेखा; 2 - पी.एस.पीबीएस + एस 2 पर 2 शुद्ध सल्फर; 3 - पी.एस. 2 ओवर पीबीएस + पीबी।
एक का तापमान होता है टी 1, यौगिक के क्रिस्टलीकरण तापमान के बराबर। पिघले हुए कंटेनर को यहां रखा गया है। दूसरे क्षेत्र में, यौगिक का शुद्ध वाष्पशील घटक, As रखा गया है। तापमान टी 2 दूसरे क्षेत्र में तापमान के बराबर बनाए रखा जाता है जिस पर वाष्पशील घटक का अपने शुद्ध रूप में पृथक्करण दबाव एक तापमान पर यौगिक में इस घटक के पृथक्करण दबाव के बराबर होता है टी 1. परिणामस्वरूप, पहले क्षेत्र में, यौगिक के ऊपर वाष्पशील घटक का वाष्प दबाव यौगिक में इसके आंशिक पृथक्करण दबाव के बराबर होता है, जो इस घटक को पिघलने से रोकता है और यौगिक के क्रिस्टलीकरण को प्रदान करता है। रचना दी।
अंजीर में। 4.19 दिया गया है पी− टीपीबी - एस चरण आरेख का प्रक्षेपण।
ठोस रेखा ठोस, तरल और गैसीय चरणों के तीन-चरण संतुलन की रेखा को दर्शाती है, जो ठोस यौगिक की स्थिरता के क्षेत्र को सीमित करती है; बिंदीदार रेखा - समरूपता क्षेत्र के भीतर समसामयिक रेखाएँ। आइसोकंसेंट्रेशन लाइनें स्टोइकोमेट्री (समान रचनाओं) से अतिरिक्त लेड (चालकता) की ओर समान विचलन के साथ रचनाएं दिखाती हैं एन-प्रकार) या अतिरिक्त सल्फर (चालकता) की ओर पी-प्रकार), तापमान और सल्फर वाष्प के दबाव के दिए गए मूल्यों पर संतुलन। रेखा एन= पीतापमान और दबाव के मूल्यों से मेल खाती है पी.एस. 2, जिसमें ठोस चरण में कड़ाई से स्टोइकोमेट्रिक संरचना होती है। यह तीन-चरण रेखा को एक ऐसे तापमान पर पार करता है जो स्टोइकोमेट्रिक यौगिक का गलनांक होता है। या अतिरिक्त सल्फर की ओर (चालकता पी-प्रकार)।
जैसा कि अंजीर से देखा गया है। 4.19, स्टोइकोमेट्रिक संरचना के एक यौगिक का गलनांक उस अधिकतम गलनांक से कम होता है जो कि सूत्र संरचना की तुलना में सीसे की अधिकता वाले मिश्र धातु में होता है। अस्थिर घटक के आंशिक वाष्प दबाव पर क्रिस्टल संरचना की तीव्र निर्भरता देखी जाती है। उच्च तापमान पर, विभिन्न रचनाओं के अनुरूप सभी वक्र रेखा के पास पहुंचते हैं एन= पी... घटते तापमान के साथ, विभिन्न रचनाओं के अनुरूप संतुलन दबावों के बीच का अंतर बढ़ जाता है। यह उच्च तापमान पर क्रिस्टलीकरण के दौरान सीधे किसी दिए गए संघटन के मिश्र धातु को प्राप्त करने में कठिनाई की व्याख्या करता है। चूंकि विभिन्न रचनाओं के लिए आंशिक दबाव वक्र करीब हैं, वाष्पशील घटक के वाष्प दबाव में छोटे यादृच्छिक विचलन से ठोस चरण की संरचना में ध्यान देने योग्य परिवर्तन हो सकता है।
यदि, बढ़ने के बाद, क्रिस्टल को कम तापमान पर लंबे समय तक एनीलिंग के अधीन किया जाता है और ऐसा दबाव होता है कि विभिन्न रचनाओं के लिए आइसोकंसेंट्रेशन लाइनें तेजी से विचलन करती हैं, तो क्रिस्टल की संरचना को निर्दिष्ट मूल्य पर लाया जा सकता है। यह अक्सर व्यवहार में प्रयोग किया जाता है।
परिचय
1. चरण आरेखों के प्रकार
2. माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में महत्व की प्रणालियां
3. ठोस घुलनशीलता
4. चरण संक्रमण
साहित्य
परिचय
जब विभिन्न सामग्रियों की परस्पर क्रिया की बात आती है तो राज्यों के चरण आरेख भौतिक गुणों की किसी भी चर्चा का एक अनिवार्य हिस्सा होते हैं। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में राज्य के चरण आरेख विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि लीड और पैशन लेयर्स के निर्माण के लिए विभिन्न सामग्रियों के एक बड़े सेट का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। एकीकृत परिपथों के उत्पादन में, सिलिकॉन विभिन्न धातुओं के निकट संपर्क में है; हम उन चरण आरेखों पर विशेष ध्यान देंगे जिनमें सिलिकॉन घटकों में से एक के रूप में प्रकट होता है।
यह निबंध इस बात पर विचार करता है कि किस प्रकार के चरण आरेख हैं, चरण संक्रमण की अवधारणा, ठोस घुलनशीलता, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के लिए पदार्थों की सबसे महत्वपूर्ण प्रणाली।
1. चरण आरेखों के प्रकार
एकल-चरण राज्य आरेख ऐसे ग्राफ़ होते हैं, जिनमें दबाव, आयतन और तापमान के आधार पर, केवल एक सामग्री की चरण स्थिति को दर्शाया जाता है। आमतौर पर, दो-आयामी विमान पर त्रि-आयामी ग्राफ खींचने की प्रथा नहीं है - वे तापमान-दबाव विमान पर इसके प्रक्षेपण का प्रतिनिधित्व करते हैं। एकल-चरण राज्य आरेख का एक उदाहरण अंजीर में दिया गया है। एक।
चावल। 1. एकल-चरण राज्य आरेख
आरेख स्पष्ट रूप से उन क्षेत्रों को चित्रित करता है जिनमें एक सामग्री केवल एक चरण अवस्था में मौजूद हो सकती है - एक ठोस, तरल या गैस के रूप में। सीमांकित रेखाओं के साथ, एक पदार्थ में दो चरण अवस्थाएं (दो चरण) हो सकती हैं जो एक दूसरे के संदर्भ में होती हैं। कोई भी संयोजन होता है: ठोस - तरल, ठोस - वाष्प, तरल - वाष्प। आरेख की रेखाओं के प्रतिच्छेदन बिंदु पर, तथाकथित त्रिगुण बिंदु, तीनों चरण एक साथ मौजूद हो सकते हैं। इसके अलावा, यह एक ही तापमान पर संभव है, इसलिए ट्रिपल पॉइंट तापमान के लिए एक अच्छा प्रारंभिक बिंदु के रूप में कार्य करता है। आमतौर पर, पानी का त्रिगुण बिंदु एक संदर्भ बिंदु के रूप में कार्य करता है (उदाहरण के लिए, थर्मोकपल का उपयोग करके सटीक माप में, जहां संदर्भ जंक्शन बर्फ-पानी-भाप प्रणाली से संपर्क करता है)।
एक दोहरा चरण आरेख (एक द्विआधारी प्रणाली का राज्य आरेख) दो घटकों के साथ एक प्रणाली की स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है। ऐसे आरेखों में, कोटि तापमान है, और भुज मिश्रण घटकों का प्रतिशत है (आमतौर पर, या तो कुल द्रव्यमान का प्रतिशत (wt%) या परमाणुओं की कुल संख्या (%) का प्रतिशत)। दबाव आमतौर पर 1 एटीएम के बराबर सेट किया जाता है। तरल और ठोस चरणों पर विचार करते समय, मात्रा माप की उपेक्षा की जाती है। अंजीर में। 2. भार या परमाणु प्रतिशत का उपयोग करते हुए घटकों ए और बी के लिए एक विशिष्ट द्विध्रुवीय राज्य आरेख दिखाता है।
चावल। 2. दो चरण राज्य आरेख
अक्षर पदार्थ A के चरण को विलेय B के साथ दर्शाता है, का अर्थ है पदार्थ B का चरण जिसमें विलेय A है, और + का अर्थ है इन चरणों का मिश्रण। अक्षर (तरल - तरल से) का अर्थ है तरल चरण, और एल + और एल + का अर्थ है तरल चरण प्लस चरण या, क्रमशः। चरणों को विभाजित करने वाली रेखाएँ, अर्थात्, वे रेखाएँ जिन पर किसी पदार्थ के विभिन्न चरण मौजूद हो सकते हैं, उनके निम्नलिखित नाम हैं: सॉलिडस - एक रेखा जिस पर चरण या एक साथ चरण L + और L + के साथ क्रमशः मौजूद होते हैं; सॉल्वस एक ऐसी रेखा है जिस पर चरण और + या और + सहअस्तित्व एक साथ होते हैं, और लिक्विडस एक ऐसी रेखा है जिस पर चरण L एक साथ चरण L + या L + के साथ मौजूद होता है।
दो तरल रेखाओं का प्रतिच्छेदन अक्सर पदार्थ ए और बी के सभी संभावित संयोजनों के लिए सबसे कम गलनांक होता है और इसे गलनक्रांतिक बिंदु कहा जाता है। एक गलनक्रांतिक बिंदु पर घटकों के अनुपात वाले मिश्रण को गलनक्रांतिक मिश्रण (या बस एक गलनक्रांतिक) कहा जाता है।
आइए हम विचार करें कि किसी मिश्रण का द्रव अवस्था (पिघल) से ठोस में संक्रमण कैसे होता है और चरण आरेख किसी दिए गए तापमान पर मौजूद सभी चरणों की संतुलन संरचना की भविष्यवाणी करने में कैसे मदद करता है। आइए अंजीर की ओर मुड़ें। 3.
चावल। 3. ठोसकरण प्रक्रियाओं को दर्शाने वाला दो-चरण राज्य आरेख
आइए मान लें कि मिश्रण में शुरू में तापमान टी 1 पर सी एम की संरचना थी, टी 1 से टी 2 के तापमान पर एक तरल चरण होता है, और तापमान टी 2 पर एक साथ एल और चरण होते हैं। वर्तमान एल चरण की संरचना सी एम है, चरण की संरचना सी 1 है। तापमान में टी 3 की और कमी के साथ, तरल की संरचना लिक्विडस वक्र के साथ बदल जाती है, और चरण की संरचना - सॉलिडस वक्र के साथ जब तक यह इज़ोटेर्म (क्षैतिज रेखा) टी 3 के साथ प्रतिच्छेद नहीं करती है। अब एल चरण की संरचना सी एल है और चरण की संरचना सी 2 है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि रचना सी 2 में न केवल वह पदार्थ होना चाहिए जो तापमान टी 3 पर पर चरण में पारित हो गया हो, बल्कि उच्च तापमान पर चरण में पारित होने वाले सभी पदार्थों में भी संरचना होनी चाहिए सी 2. रचनाओं का यह संरेखण घटक ए के मौजूदा चरण में ठोस-अवस्था प्रसार द्वारा होना चाहिए, ताकि जब तक तापमान टी 3 तक पहुंच जाए, चरण में सभी पदार्थों में संरचना सी 2 होगी। तापमान में और कमी हमें गलनक्रांतिक बिंदु पर ले आती है। इसमें, चरण और तरल चरण के साथ-साथ मौजूद होते हैं। कम तापमान पर, केवल और चरण मौजूद होते हैं। सी 3 की प्रारंभिक संरचना के साथ समुच्चय के साथ रचना सी ई के चरणों और का मिश्रण बनता है। फिर, इस मिश्रण को लंबे समय तक यूटेक्टिक से नीचे के तापमान पर रखने से, आप एक ठोस प्राप्त कर सकते हैं। परिणामी ठोस में दो चरण होंगे। प्रत्येक चरण की संरचना को संबंधित सॉल्वस लाइन के साथ इज़ोटेर्म के चौराहे के बिंदु पर निर्धारित किया जा सकता है।
हमने अभी दिखाया है कि उपस्थित प्रत्येक चरण की संरचना का निर्धारण कैसे किया जाता है। अब आइए प्रत्येक चरण में पदार्थ की मात्रा निर्धारित करने की समस्या पर विचार करें। भ्रम से बचने के लिए, अंजीर। 4. एक बार फिर, एक साधारण दो-चरण आरेख दिखाया गया है। मान लीजिए कि तापमान टी 1 पर पिघल की संरचना सी एम (अर्थात् घटक बी) है, तो टी 2 चरण एल में संरचना सी एल है, और चरण में संरचना सी एस होगी। मान लीजिए M L किसी ठोस अवस्था में किसी पदार्थ का द्रव्यमान है, और M S - ठोस अवस्था में किसी पदार्थ का द्रव्यमान है। कुल द्रव्यमान के संरक्षण की शर्त निम्नलिखित समीकरण की ओर ले जाती है:
(एम एल + एम एस) सी एम = एम एल सी एल + एम एस सी एस।
चावल। 4. स्तर नियम
यह इस तथ्य को दर्शाता है कि तापमान T 1 पर किसी पदार्थ का कुल द्रव्यमान, प्रतिशत B से गुणा करके, पदार्थ B का कुल द्रव्यमान होता है। यह द्रव में मौजूद पदार्थ B के द्रव्यमान के योग के बराबर होता है। और टी 2 के तापमान पर ठोस चरण। इस समीकरण को हल करने पर, हम प्राप्त करते हैं
. (1)
इस अभिव्यक्ति को "स्तर नियम" के रूप में जाना जाता है। इस नियम का उपयोग करके, पिघल की प्रारंभिक संरचना और उसके कुल द्रव्यमान को जानने के लिए, दो-चरण आरेख के किसी भी खंड के लिए दोनों चरणों के द्रव्यमान और किसी भी चरण में पदार्थ बी की मात्रा निर्धारित करना संभव है। इसी तरह, आप गणना कर सकते हैं और
अंजीर में। 5. पिघले हुए जमने का एक और उदाहरण दिखाया गया है। टी 1 से टी 2 तक तापमान में कमी से एल और चरणों का मिश्रण क्रमशः सी एम और सी के साथ होता है। आगे शीतलन के साथ, संरचना एल लिक्विडस के साथ बदल जाती है, और संरचना सॉलिडस के साथ बदल जाती है, जैसा कि पहले वर्णित है। जब तापमान टी 3 तक पहुंच जाता है, तो संरचना सी एम के बराबर हो जाएगी, और, स्तर नियम से निम्नानुसार, टी 3 से कम तापमान पर, तरल चरण मौजूद नहीं हो सकता है। टी 4 से नीचे के तापमान पर, चरण और चरण और के समुच्चय के रूप में मौजूद होते हैं। उदाहरण के लिए, तापमान T 5 पर, चरण के समुच्चय में T 5 इज़ोटेर्म और सॉल्वस के प्रतिच्छेदन द्वारा निर्धारित एक संरचना होगी। रचना एक समान तरीके से निर्धारित की जाती है - इज़ोटेर्म और सॉल्वस के प्रतिच्छेदन द्वारा।
चावल। 5. किसी भी चरण में मौजूद पदार्थ ए की मात्रा को द्वि-चरणीय आरेख और इलाज की प्रक्रिया
दो-चरण आरेख के खंड, जिन्हें अब तक और कहा जाता है, ठोस घुलनशीलता के क्षेत्र हैं: ए और बी के क्षेत्र में भंग हो जाते हैं। किसी दिए गए तापमान पर बी में भंग की जा सकने वाली ए की अधिकतम मात्रा निर्भर करती है तापमान। एक यूक्टेक्टिक या उच्च तापमान पर, ए और बी का तेजी से संलयन हो सकता है। यदि परिणामस्वरूप मिश्र धातु अचानक ठंडा हो जाती है, तो ए परमाणु जाली बी में "फंस" जा सकते हैं। लेकिन अगर कमरे के तापमान पर ठोस घुलनशीलता बहुत कम है (इससे पता चलता है कि इस तापमान पर विचाराधीन दृष्टिकोण बहुत उपयुक्त नहीं है), तो मिश्र धातु में सबसे मजबूत तनाव उत्पन्न हो सकते हैं, जो इसके गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं (महत्वपूर्ण तनावों की उपस्थिति में, सुपरसैचुरेटेड ठोस समाधान दिखाई देते हैं, और सिस्टम है संतुलन की स्थिति में नहीं है, और आरेख केवल संतुलन की स्थिति के बारे में जानकारी देता है)। कभी-कभी, ऐसा प्रभाव वांछनीय होता है, उदाहरण के लिए, जब मार्टेंसाइट प्राप्त करने के लिए शमन द्वारा स्टील को सख्त किया जाता है। लेकिन माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में इसका परिणाम विनाशकारी होगा। इसलिए, मिश्र धातु, यानी, प्रसार से पहले सिलिकॉन में एडिटिव्स की शुरूआत, ऊंचे तापमान पर इस तरह से की जाती है कि अत्यधिक मिश्र धातु के कारण सतह की क्षति को रोका जा सके। यदि सब्सट्रेट में डोपेंट की मात्रा किसी भी तापमान पर ठोस घुलनशीलता सीमा से अधिक हो जाती है, तो दूसरा चरण प्रकट होता है और संबंधित विरूपण होता है।
2. माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में महत्व के पदार्थों की प्रणाली
ऐसी कई सामग्रियां हैं जो एक दूसरे में पूरी तरह से घुलनशील हैं। एक उदाहरण सिलिकॉन और जर्मेनियम जैसे माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के लिए महत्वपूर्ण दो पदार्थों की एक प्रणाली है। सिलिकॉन-जर्मेनियम प्रणाली को अंजीर में दिखाया गया है। 6.
चावल। 6. सिस्टम सिलिकॉन - जर्मेनियम
आरेख में कोई गलनक्रांतिक बिंदु नहीं है। इस तरह के आरेख को आइसोमॉर्फिक कहा जाता है। दो तत्वों के आइसोमॉर्फिक होने के लिए, उन्हें ह्यूम-रोथरी नियमों का पालन करना चाहिए, अर्थात। परमाणु त्रिज्या के मूल्यों में 15% से अधिक का अंतर नहीं है, समान संभावना, समान क्रिस्टल जाली और, इसके अलावा, लगभग एक ही इलेक्ट्रोनगेटिविटी (एक परमाणु की इलेक्ट्रोनगेटिविटी अतिरिक्त आकर्षित करने या कब्जा करने का उसका अंतर्निहित परिवार है) सहसंयोजक बंधों के साथ इलेक्ट्रॉन)। Cu - Ni, Au - Pt, और Ag - Pd प्रणालियाँ भी समरूपी हैं।
Pb - Sn प्रणाली एक साधारण बाइनरी सिस्टम का एक अच्छा उदाहरण है जिसमें महत्वपूर्ण, यद्यपि सीमित, ठोस घुलनशीलता है। इस प्रणाली की अवस्थाओं का चरण आरेख अंजीर में दिखाया गया है। 7. सॉलिडस और सॉल्वस के प्रतिच्छेदन बिंदु को सीमा विलेयता कहते हैं, टिन में लेड और लेड दोनों में सीमा विलेयता का मान बड़ा होगा। टिन-लीड सेलर्स के व्यापक उपयोग के कारण माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के लिए यह प्रणाली महत्वपूर्ण है। इस प्रणाली के उनके दो-चरण आरेख से पता चलता है कि मिश्र धातु की संरचना में परिवर्तन से इसका गलनांक कैसे बदल जाता है। जब एक माइक्रोक्रिकिट के निर्माण में लगातार कई सोल्डरिंग करने की आवश्यकता होती है, तो प्रत्येक बाद के सोल्डरिंग के लिए, कम पिघलने बिंदु वाले सोल्डर का उपयोग किया जाता है। ऐसा इसलिए किया जाता है ताकि पहले से बने राशन का प्रवाह न हो।
चावल। 7. लेड-टिन सिस्टम की अवस्थाओं का चरण आरेख
microcircuits के उत्पादन के लिए, Au-Si प्रणाली के गुण भी महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि इस प्रणाली का गलनक्रांतिक तापमान शुद्ध सोने या शुद्ध सिलिकॉन (चित्र 9) के पिघलने के तापमान की तुलना में बेहद कम है। सिलिकॉन में सोने और सोने में सिलिकॉन की घुलनशीलता इतनी कम है कि राज्यों के पारंपरिक चरण आरेख में प्रतिबिंबित नहीं किया जा सकता है। कम यूक्टेक्टिक तापमान के कारण, मुख्य वेल्डिंग (या सोल्डरिंग) तंत्र के रूप में एयू-सी ईयूटेक्टिक प्रतिक्रिया का उपयोग करते हुए, सोने के सब्सट्रेट, धारकों या सोने के संपर्क पैड वाले बोर्डों पर माइक्रोक्रिकिट क्रिस्टल को माउंट करना फायदेमंद साबित होता है। सोल्डरिंग सिलिकॉन क्रिस्टल के लिए, सोने का भी उपयोग किया जाता है, जिसमें कुछ प्रतिशत जर्मेनियम होता है।
रासायनिक यौगिक बनाने वाले तत्वों के संयोजन में अधिक जटिल चरण आरेख होते हैं। उन्हें दो (या अधिक) सरल आरेखों में विभाजित किया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक कनेक्शन या यौगिक और तत्वों की एक विशिष्ट जोड़ी को संदर्भित करता है। उदाहरण के लिए, AuAl 2 1060 ° (चित्र 2.10) से कम तापमान पर एल्यूमीनियम के साथ 33% (परमाणु प्रतिशत) सोने के संयोजन से बनता है। इस रेखा के बाईं ओर, AuAl 2 और शुद्ध एल्युमीनियम चरण सह-अस्तित्व में हैं। AuAl 2 जैसे यौगिकों को इंटरमेटेलिक कहा जाता है और ये दो तत्वों के उपयुक्त स्टोइकोमेट्रिक अनुपात में बनते हैं। इंटरमेटेलिक यौगिकों को एक उच्च गलनांक, जटिल क्रिस्टल संरचना की विशेषता होती है और इसके अलावा, कठोरता और भंगुरता की विशेषता होती है।
राज्यों के एयू-अल चरण आरेख को दो या अधिक आरेखों में विभाजित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, अल-एयूएएल 2 आरेख और एयूएएल 2-एयू आरेख।
चावल। 8. सिस्टम एल्यूमीनियम - सिलिकॉन
एयू-अल प्रणाली का आरेख अंजीर में दिखाया गया है। 2.10 माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि आमतौर पर सोने के तार सिलिकॉन के ऊपर स्थित एल्यूमीनियम धातुकरण परत से जुड़े होते हैं। कई महत्वपूर्ण इंटरमेटेलिक यौगिक यहां सूचीबद्ध हैं: AuAl 2, Au 2 Al, Au 5 Al 2 और Au 4 Al। ये सभी Au-Al बंधों के संवाहकों में उपस्थित हो सकते हैं।
चावल। 9. सिस्टम सोना - सिलिकॉन
चावल। 10. सिस्टम सोना - एल्यूमीनियम
3. ठोस घुलनशीलता
सिलिकॉन में अधिकांश डोपेंट की सीमा घुलनशीलता बेहद कम है और वास्तव में, अधिकतम घुलनशीलता नहीं है। अंजीर में। 11 सिलिकॉन के बिना अशुद्धता के लिए एक विशिष्ट ठोस वक्र दिखाता है। ध्यान दें कि घुलनशीलता तापमान के साथ एक निश्चित मान तक बढ़ जाती है और फिर सिलिकॉन के गलनांक पर घटकर शून्य हो जाती है। ऐसे वक्र को प्रतिगामी विलेयता वक्र कहते हैं। इस आरेख का एक परिष्कृत संस्करण सिलिकॉन गलनांक के आसपास के क्षेत्र में अंजीर में दिखाया गया है। 12.
चावल। 11 सिलिकॉन की प्रतिगामी घुलनशीलता
चावल। 12 सिलिकॉन का विशिष्ट चरण आरेख
यदि सिलिकॉन पिघल की संरचना विलेय द्रव्यमान के प्रतिशत के रूप में C M के बराबर है, तो सिलिकॉन विलेय सामग्री kC M के साथ जम जाएगा, जहाँ k पृथक्करण गुणांक (k = C S / C L) है। जब जमने के दौरान ठोस में सांद्रता C M मान तक पहुँच जाती है, तो तरल घोल में सांद्रता C M / k होगी, क्योंकि तरल से ठोस रेखापुंज में सांद्रता का अनुपात k के बराबर होना चाहिए। इसलिए सॉलिडस लाइन का ढलान है
,
और द्रव का ढाल है
.
लिक्विडस और सॉलिडस के ढलानों का अनुपात पृथक्करण गुणांक के बराबर होता है
. (2)
4. चरण संक्रमण
सिस्टम के मापदंडों को बदलते समय एक चरण से दूसरे चरण में संक्रमण।
पहले क्रम के चरण संक्रमण (वाष्पीकरण, संघनन, पिघलने, क्रिस्टलीकरण, एक क्रिस्टलीय संशोधन से दूसरे में संक्रमण)।
पदार्थों की क्रिस्टलीय अवस्था को सात प्रणालियों (ट्राइक्लिनिक, मोनोक्लिनिक, रोम्बिक, टेट्रागोनल, ट्राइगोनल या रोम्बस ..., हेक्सागोनल, क्यूबिक) के अनुसार वर्गीकृत किया जाता है, जबकि इन प्रणालियों में परमाणुओं की व्यवस्था 14 प्रकार के जाली (ब्रावाइस लैटिस) की विशेषता होती है। ) इन जालकों में परमाणुओं के संकुलन की मात्रा भिन्न होती है:
साधारण घन f = 0.52
शरीर केंद्रित घन f = 0.68
फलक-केंद्रित घन f = 0.74
हेक्सागोनल क्लोज पैकिंग f = 0.74
इन आंकड़ों से एक बहुत ही महत्वपूर्ण निष्कर्ष निकलता है: बहुरूपी परिवर्तनों (क्रिस्टल जाली के प्रकार में परिवर्तन) के दौरान, मात्रा में परिवर्तन होता है और इसके परिणामस्वरूप, सामग्री के भौतिक-रासायनिक गुणों में परिवर्तन होता है।
पहले क्रम के संक्रमणों में, दो चरण संक्रमण बिंदु पर सह-अस्तित्व में होते हैं।
ए बी
ए) संक्रमण एक निश्चित तापमान टी लेन पर किया जाता है
बी) संक्रमण के दौरान, ऊर्जा का पहला व्युत्पन्न अचानक बदल जाता है: थैलेपी, एन्ट्रॉपी, वॉल्यूम (इसलिए घनत्व)
दूसरे प्रकार के चरण संक्रमण
दूसरे प्रकार के संक्रमणों में, मुक्त ऊर्जा, एन्थैल्पी, एन्ट्रापी, आयतन, घनत्व के पहले व्युत्पन्न एकरस रूप से बदलते हैं।
बेरियम टाइटेनेट - घन संरचना -> टेट्रागोनल ठेठ पीजोइलेक्ट्रिक।
MnO 117 K पर एक एंटीफेरोमैग्नेट है जो अनुचुंबकीय चरण में जाता है।
1. एरिप्रेसाइट द्वारा 1933 में प्रस्तावित चरण परिवर्तनों के वर्गीकरण के अनुसार, परिवर्तनों को I और II प्रकार के परिवर्तनों (संक्रमण) में विभाजित किया गया है।
पहले प्रकार के संक्रमणों को इस तथ्य की विशेषता है कि तापमान और दबाव के संबंध में थर्मोडायनामिक क्षमता का पहला डेरिवेटिव अचानक बदल जाता है
यहाँ एस - एन्ट्रापी, वी - आयतन
चूंकि चरण संक्रमण के दौरान थर्मोडायनामिक क्षमता लगातार बदलती रहती है, यह अभिव्यक्ति द्वारा निर्धारित किया जाता है
तो ऊर्जा यू को भी अचानक बदलना चाहिए। चूंकि
फिर संक्रमण की गर्मी
तापमान के गुणनफल और चरणों की एन्ट्रापी में अंतर के बराबर है, यानी गर्मी का अचानक परिवर्तन या अवशोषण।
थर्मोडायनामिक क्षमता में निरंतर परिवर्तन महत्वपूर्ण है। फ़ंक्शन (टी) और (टी) चरण संक्रमण बिंदु के पास सुविधाओं को नहीं बदलते हैं, जबकि चरण संक्रमण बिंदु के दोनों किनारों पर थर्मोडायनामिक क्षमता की न्यूनतम मात्रा होती है।
यह फीचर सिस्टम में फेज ट्रांजिशन के मामले में फेज के ओवरहीटिंग या ओवरकूलिंग की संभावना की व्याख्या करता है।
आइए हम थर्मोडायनामिक कार्यों के कूद के बीच संबंध को परिभाषित करें और। तापमान के संबंध में अंतर करने के बाद, संबंध फलन (P, T) = (P, T), S, V और q के व्यंजक को ध्यान में रखते हुए, हम प्राप्त करते हैं
यह प्रसिद्ध क्लिपरॉन-क्लॉसिस सूत्र है। यह आपको तापमान में बदलाव या दबाव में बदलाव के साथ दो चरणों के बीच संक्रमण तापमान में बदलाव के साथ चरणों के संतुलन में दबाव में परिवर्तन को निर्धारित करने की अनुमति देता है। मात्रा में अचानक परिवर्तन संरचना और चरणों की प्रणाली के बीच एक निश्चित संबंध की अनुपस्थिति की ओर जाता है, जो पहले क्रम के चरण संक्रमण के दौरान बदल जाते हैं, जो इस संबंध में अचानक बदल जाते हैं।
पहली तरह के चरण संक्रमण के लिए विशिष्ट पदार्थ के एकत्रीकरण के राज्यों के बीच संक्रमण, एलोट्रोपिक परिवर्तन, बहु-घटक सामग्री में कई चरण परिवर्तन हैं।
द्वितीय-क्रम चरण संक्रमण और प्रथम-क्रम चरण संक्रमण के बीच मूलभूत अंतर इस प्रकार है: दूसरे क्रम के संक्रमणों को थर्मोडायनामिक क्षमता में परिवर्तन की निरंतरता और थर्मोडायनामिक क्षमता के डेरिवेटिव में परिवर्तन की निरंतरता दोनों की विशेषता है।
रासायनिक संतुलन
थर्मोडायनामिक फ़ंक्शन एक राज्य फ़ंक्शन है जो सिस्टम में कणों की संख्या में परिवर्तन होने पर थर्मोडायनामिक क्षमता में परिवर्तन को निर्धारित करता है। दूसरे शब्दों में, एक फ़ंक्शन है जो उपयुक्त परिवर्तनों और शर्तों (टी, पी, वी, एस, एन i) के तहत एक चरण से दूसरे चरण में एक घटक के सहज संक्रमण की दिशा और सीमा निर्धारित करता है।
थर्मोडायनामिक क्षमताएं निम्नलिखित संबंधों द्वारा एक दूसरे से संबंधित हैं:
ग्राम में पदार्थ की मात्रा; - मोल्स में पदार्थ की मात्रा;
M संबंधित पदार्थ का आणविक भार है।
ठोस समाधान के सिद्धांत के लिए, जिस पर सभी माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण संचालित होते हैं, गिब्स द्वारा विकसित रासायनिक क्षमता की विधि का बहुत महत्व है। रासायनिक क्षमता का उपयोग करके रासायनिक संतुलन का निर्धारण किया जा सकता है।
रासायनिक क्षमता प्रति 1 परमाणु ऊर्जा द्वारा विशेषता है
रासायनिक क्षमता; G गिब्स ऊर्जा है;
एन ओ - अवोगाद्रो की संख्या, एन А - एल = मोल -1
यानी (पी, टी) = (पी, टी)
दोनों वक्र तापमान के साथ एक मोनोटोनिक कमी की विशेषता रखते हैं, जो चरणों के एन्ट्रापी के मूल्य का निर्धारण करते हैं
जब विभिन्न सामग्रियों की बातचीत की बात आती है तो राज्यों के चरण आरेख भौतिक गुणों की चर्चा का एक अभिन्न अंग होते हैं।
एकल-चरण राज्य आरेख केवल एक सामग्री की चरण स्थिति दर्शाते हैं।
एक दोहरा चरण आरेख (एक द्विआधारी प्रणाली का राज्य आरेख) दो घटकों के साथ एक प्रणाली की स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है।
रासायनिक यौगिक बनाने वाले तत्वों के संयोजन में अधिक जटिल चरण आरेख होते हैं।
साहित्य
1. ऑरमोंट बीएफ अर्धचालकों के भौतिक रसायन विज्ञान और क्रिस्टल रसायन विज्ञान का परिचय। - एम।: हायर स्कूल, 1973।
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4. "अर्धचालक और अर्धचालक उपकरणों पर कार्यशाला", एड। शालिमोवा के.वी. - एम।: हायर स्कूल, 1968r।
अगली पंक्ति में, हम ठोस अवस्था में घटकों की सीमित घुलनशीलता के साथ चरण संतुलन आरेख का विश्लेषण करेंगे और गलनक्रांतिक परिवर्तन... गलनक्रांतिक प्रणालियों में, घटकों में से एक की पहली मात्रा का दूसरे में परिचय मिश्र धातु के तापमान में कमी का कारण बनता है, जिससे कि तरल वक्र न्यूनतम तापमान से गुजरता है जिसे गलनक्रांतिक बिंदु कहा जाता है। तरल में किसी भी अनुपात में घुलनशीलता होती है, और ठोस अवस्था में घुलनशीलता सीमित होती है।
यूक्टेक्टिक परिवर्तन के परिणामस्वरूप, बहुत छोटे आकार के क्रिस्टल बनते हैं, जो एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप में अप्रभेद्य होते हैं। इस कारण से, परिवर्तन के परिणामस्वरूप बनने वाले विभिन्न चरण घटकों को एक संरचनात्मक घटक में जोड़ा जाता है।
गलनक्रांतिक परिवर्तन के साथ एक चरण आरेख का एक उदाहरण चित्र में दिखाया गया है। α और β चरण ठोस समाधान हैं। वाक्यांश "सीमित ठोस समाधान" इन समाधानों पर लागू होता है, क्योंकि प्रत्येक समाधान की स्थिरता का क्षेत्र केवल आरेख के एक भाग तक फैला होता है। इन चरणों को प्राथमिक ठोस समाधान भी कहा जा सकता है, क्योंकि उनके अनुरूप क्षेत्र आरेख के किनारों (इसके अंदर) से शुरू होते हैं, और आरेख के मध्य भाग में कहीं भी दोनों तरफ सीमित नहीं होते हैं। चरणों में समान क्रिस्टल संरचना हो सकती है, लेकिन यह आवश्यक नहीं है; प्रत्येक चरण में उस घटक की संरचना होती है जिसके साथ इसकी सीमा होती है। ठोस समाधानों की संरचना पर कोई प्रतिबंध नहीं लगाया गया है; वे संस्थागत और अंतरालीय समाधान दोनों हो सकते हैं।
आंकड़ा तीन दो-चरण क्षेत्रों को दर्शाता है:एल + α, एल + β और α + β। जाहिर है, क्षेत्रएल + α और एल + β सभी अर्थों में क्षेत्र के बराबर हैंली + α आरेख घटकों की असीमित घुलनशीलता के साथ, जिसकी चर्चा हमने इस लेख के पहले भाग में की थी। इन क्षेत्रों को कोनोड्स से बना माना जा सकता है, जो प्रत्येक दिए गए तापमान पर तरल और ठोस चरणों की रचनाओं को जोड़ते हैं, जो सॉलिडस और लिक्विडस लाइनों द्वारा दर्शाए जाते हैं। इसी तरह, α + β क्षेत्र को कोनोड्स से बना माना जाता है, प्रत्येक तापमान पर, α-घुलनशीलता वक्र पर α चरण की संरचना β-घुलनशीलता वक्र पर β चरण की संगत संरचना के साथ होती है।
तीन दो-चरण क्षेत्र एक दूसरे से एक कोनोड द्वारा जुड़े हुए हैं (ए - ई - बी ), उन सभी के लिए सामान्य, और तीन संयुग्म चरणों की रचनाओं को जोड़ने से यूक्टेक्टिक तापमान पर सह-अस्तित्व, यानी α (बिंदु)ए ), तरल पदार्थ (बिंदुई) और β (बिंदु बी ) इस रेखा को यूटेक्टिक लाइन या यूटेक्टिक हॉरिजॉन्टल या इज़ोटेर्मल रिएक्शन भी कहा जाता है। दूरसंचार विभागइ , एकमात्र तरल का प्रतिनिधित्व करता है जो दोनों ठोस चरणों के साथ-साथ सह-अस्तित्व में हो सकता है, जिसे यूटेक्टिक बिंदु कहा जाता है, यानी सबसे कम पिघलने बिंदु वाले मिश्र धातु की बिंदु-संरचना।
ठोस विलयन के साथ होने वाले गलनक्रांतिक परिवर्तन को यूटेक्टॉइड परिवर्तन कहते हैं।
लेख के तीसरे भाग में, हम बुनियादी चरण संतुलन आरेखों की समीक्षा करना जारी रखेंगे।
