Difusión ió Fenómeno de transporte de masapormovimiento

Documentos relacionados
Difusión ió Fenómeno de transporte de masapormovimiento

Fabricación de una unión p-n

Red cristalina perfecta

4. DIFUSION EN SÓLIDO

DIFUSIÓN UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA TECNOLOGIA MECANICA

GUÍA DE DISCUSIÓN DE PROBLEMAS 4 TEMA DIFUSIÓN EN MATERIALES DE INGENIERÍA

¾ Difusión atómica: los átomos, aún en un sólido, se mueven de un sitio atómico a otro.

Difusión en estado sólido

DIFUSION AL ESTADO SÓLIDO

III. DIFUSION EN SOLIDOS

Tema 4.- Solidificación y Difusión

Solidificación e Imperfecciones. en Sólidos

Examen de Mejoramiento: Ciencias de Materiales

CAPITULO 2 PROCESO DE DIFUSIÓN.

1er EXAMEN PARCIAL FECHA: ALUMNO: GRUPO PRÁCTICAS: LEA ATENTAMENTE LAS SIGUIENTES INSTRUCCIONES ANTES DE COMENZAR LA PRUEBA

Proceso de Difusión para el Dopado de Silicio en la Fabricación de Circuitos Integrados

Tema 3. Solidificación, defectos y difusión en sólidos

Difusión en Estado Sólido 1 TEMA 3 DIFUSIÓN EN ESTADO SÓLIDO. Mecanismos de difusión. Velocidad de difusión. Procesado de materiales. Sinterización.

Distribución y Transporte de Portadores de Carga

Modelo Atomístico de la Difusión

TEMA 4. IMPERFECIONES EN SÓLIDOS

Distribución y Transporte de Portadores de Carga

IES SIERRA DEL AGUA ACTIVIDADES DE FÍSICA Y QUÍMICA DE ALUMNOS PENDIENTES DE 3º DE ESO

!!! # # $ # #!!!!!! # # $ # #!!!

Solución: Según Avogadro, 1 mol de cualquier gas, medido en condiciones normales ocupa 22,4 L. Así pues, manteniendo la relación: =1,34 mol CH 4

Enlace químico Química Inorgánica I

Estructuras Cristalinas. Julio Alberto Aguilar Schafer

Masas atómicas (g/mol): O = 16; S = 32; Zn = 65,4. Sol: a) 847 L; b) 710,9 g; c) 1,01 atm.

XXVII OLIMPIADA DE QUÍMICA Fase Local EXTREMADURA Nombre:

Es un conjunto de átomos cercanos los cuáles forman una red, la cuál puede ser ordenada o desordenada.

Defectos. Defectos Cristalinos (Cristales Reales) Defectos Puntuales (0D) Clasificación de los Defectos Cristalinos según su Dimensión

Materiales Eléctricos. Semiconductores 06/05/2016. Repaso valores de Resistividad. Material ρωm (/α)/ C Plata 1,62*10-8 4,1*10-3 PTC

Mediante el entendimiento del movimiento de las vacancias se puede explicar el proceso de difusión de átomos en un sólido cristalino.

P kt. El plano (1,0,0) del cobre metálico es: a =361 pm. El número de colisiones que recibe por unidad de área y unidad de tiempo es:

I.E.S Albalat Programa de Recuperación de Materias Pendientes_Curso 2017/2018

Principios y conceptos básicos de Química

Dispositivos semiconductores 2da Clase

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

IRREGULARIDADES DEL ARREGLO

SOLUCIONES. Solución: Para hallar los % en peso del compuesto se puede realizar una regla de tres simple o aplicar la fórmula directamente.

IRREGULARIDADES DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

Bloque I: Cinética. Profesor: Mª del Carmen Clemente Jul

Cinética Química. Prof. Sergio Casas-Cordero E.

Unidad IV: Propiedades fundamentales de la materia.

La unidad de masa atómica se define como la doceava parte de la masa de un átomo del isótopo carbono-12.

Tema 4 Difusión en estado sólido

TEMA 2. Semiconductores

ACTIVIDADES PARA RECUPERAR FÍSICA Y QUÍMICA DE 3º DE ESO ACTIVIDADES TEMA 1

CANTIDAD DE SUSTANCIA Y NUMERO DE PARTÍCULAS

DEFECTOS CRISTALINOS. Soluciones sólidas. Defectos cristalinos que veremos hoy (hay más)

TEMA2: Fundamentos de Semiconductores

IMPERFECCIONES CRISTALINAS

Parte B Módulo 1 y 2. Abril 2016

Transporte de Portadores Marzo de Movimiento térmico de portadores 2. Arrastre de portadores 3. Difusión de portadores

Materiales Semiconductores

Defectos cristalinos. Introducción a la Ciencia de Materiales. M. Bizarro

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I

TECNOLOGÍA DE MATERIALES SERIE DE EJERCICIOS No. 1 SEMESTRE

Ciencias de los Materiales

- Leyes ponderales: Las leyes ponderales relacionan las masas de las sustancias que intervienen en una reacción química.

PRUEBA DE EVALUACIÓN ESTUDIANTIL COMPETENCIAS ESPECÍFICAS - MITAD DE CARRERA

PARTE ESPECÍFICA. OPCIÓN C MATERIA: QUÍMICA

CAPITULO II. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES.

QUÍMICA 2º BACHILLERATO

Tema 5.-Corriente eléctrica

Química. Zn (s) + H 2 SO 4 (l) ZnSO 4 (aq) + H 2 (g)

ELEMENTOS DE TERMODINAMICA

l 1cm min g m km cm h ACTIVIDADES DE REPASO DE FÍSICA Y QUÍMICA - 3º DE ESO Página 1

FENÓMENOS DE TRASPORTE EN METALURGIA EXTRACTIVA Clase 03/06 Transporte de Calor

QUÉ ES LA TEMPERATURA?

PROBLEMAS DE ESTEQUIOMETRÍA SEPTIEMBRE 2012

TEMA 5: CINÉTICA HETEROGÉNEA. TRANSFERENCIA DE MATERIA CQA-5/1

1. Formación de núcleos estables en el fundido. ( Nucleacion ).

PROBLEMAS DE ESTEQUIOMETRÍA DE 1º DE BACHILLERATO

Medida del calor. q T. Si T es K C J K

(1) dt dq es la carga que pasa a través de la sección transversal

EJERCICIOS Y PROBLEMAS DE REPASO PARA EL ALUMNADO QUE PROMOCIONA A PRIMERO DE BACHILLER Y QUIERE ESTUDIAR FÍSICA Y QUÍMICA

5) En 20 g de Ni 2 (CO 3 ) 3 : a) Cuántos moles hay de dicha sal? b) Cuántos átomos hay de oxígeno? c) Cuántos moles hay de iones carbonato?

QUÍMICA de 2º de BACHILLERATO EL ENLACE QUÍMICO

Contenido de Física y Química de la Primera Evaluación

FÍSICA Y QUÍMICA 1º BACH. ALGUNOS EJERCICIOS RESUELTOS. TEMA 2:

GUIA DIDACTICA DE ELECTRONICA N º6 1. IDENTIFICACION ASIGNATURA GRADO PERIODO I.H.S.

GUIA DIDACTICA DE ELECTRONICA N º6 1. IDENTIFICACION ASIGNATURA GRADO PERIODO I.H.S. TECNOLOGIA ONCE SEGUNDO 6

I.E.S Albalat Programa de Recuperación de Materias Pendientes_Curso 2017/2018

Conductividad en presencia de campo eléctrico

Clase Física de semiconductores (I) Marzo de Índice de temas:

REPASO DE SELECTIVIDAD TEMAS 1, 2, 3, 4, 5, 6

Operación y Modelado del Transistor MOS para el Diseño Analógico

NO DESABROCHES EL CUADERNILLO. NO RESUELVAS CON LÁPIZ.

TRABAJO DE RECUPERACIÓN DE FÍSICA Y QUÍMICA. ESO

REACCIONES QUÍMICAS y DISOLUCIONES. QUÍMICA 2º bachillerato

DIAGRAMAS DE FASE. Diagramas de Equilibrio

ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

Difusión Enfoque atomístico Estructura cristalina. Ma. Eugenia Noguez Amaya

TEMA 4. Tecnología y fabricación de CIs. D. Formación y deposición de capas aislantes y conductoras

Los siguientes son elementos que pueden existir como gases a una temperatura de 25 C y 1 atm de presión

Tema 5.-Corriente eléctrica

DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA RECUPERACIÓN DE MATERIA PENDIENTE DE FÍSICA Y QUÍMICA. ZnO SO2. KH SnH4 BeO. HgH2 FeH3. PbO AgH HCl.

EL ESTADO GASEOSO P R E S I Ó N

Transcripción:

Difusión en sólidos

Difusión Difusión ió Fenómeno de transporte de masapormovimiento atómico Mecanismos Gases y Líiquidos movimientoaleatorio (Browniano) Sólidos difusión por vacancias o difusión intersticial. 2

Difusión en sólidos Interdifusión o difusión de impurezas: Los átomos de un metal difunden en el otro. Los átomos migran de las regiones de alta concentración a la de baja concentración. Inicial Después de un tiempo Perfiles de concentración Perfiles de concentración 3

Autodifusión Autodifusión: En metales puros, los átomos del mismo tipo puede intercambiar Posiciones. No puede observarse por cambios de composición. Átomos etiquetados C Después de un tiempo C A D B A B D A nivel atómico, la difusión consiste en la migración de los átomos de un sitio de la red a otro. En los materiales sólidos, lo átomos están en continuo movimiento. La movilidad atómica requiere 2 condiciones: 1) un lugar vecino vacío 2) el átomo debe tener suficiente enrgía como para rompere los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento. A una temperatura determinada una pequeña fracción del número total de átomos es capaz De difundir debido a la magnitud de su energía vibratoria. 4

Mecanismos de difusión Difusión por vacancias Difusión por vacancias Difusión intersticial intercambio de un átomo de una posición reticular normal a una vacancia o lugar reticular vecino vacío. applies to substitutional impurities atoms la tasa depende de: --número de vacancias --la energía de activación para el intercambio. Aumento del tiempo transcurrido 5

Simulación de la difusión Interdifusión a través De una interfaz La tasa de difusión substitucional depende de: --concentración de vacancias --frecuencia de saltos. El movimiento de los átomos en la difusión va en sentido opuesto al de las vacancias. 6

Difusión intersticial átomos que van desde una posición intersticial a otra vecina desocupada. Tiene lugar por interdifusión de solutos que tiene átomos pequeños (como H, C, N, O). Es más rápida que la difusión por vacancias 7

Procesos que usan difusión Endurecimiento: i -Átomos de carbono se difunden a la superficie --Ejemplo: engranes de acero Resultado: la presencia de átomos de C hacen que el hierro (acero) sea más duro. 8

Procesos que usan difusión Dopar silicio con fósforo para tener semiconductores tipo n 05mm 0.5 1. Se depositan capas ricas en P sobre la superficie. silicon 2. Se calienta 3. Resultado: Regiones del Semiconductor dopadas magnified image of a computer chip light regions: Si atoms silicon light regions: Al atoms 9

Cuantificación Cómo cuantificamos la tasa de difusión? J Flux Mdii Mediciones empíricas íi moles (or mass) diffusing surface area time mol or kg 2 2 cm s m s Hacer una película delgada (membrana) con área superficial conocida Imponer un gradiente de concentración Medir qué tan rápido los átomos o moléculas se dufunden a través de la membrana. Flujo J M At l A dm dt M= mass diffused time J slope 10

Difusión en estado estacionario Condición de estado estacionario: el flujo de difusión no cambia con el tiempo Flujo proporcional al gradiente de concentración = dc dx C 1 C 1 Primera ley de Fick: C 2 C 2 J D dc dx si es lineal x 1 x 2 x D coeficiente de difusión [m 2 /s] dc dx C x C x 2 2 C x 1 1 La dirección de difusión es contraria Al gradiente de concentración: Va de alta a baja concentración 11

Ejemplo: Guantes protectores contra químicos El cloruro de metileno es un ingrediente común para remover pintura. Además de ser irritante, puede absorberse por la piel. Cuando se utiliza este removedor de pintura se deben usar guantes protecores. Si se utilizan guantes de caucho butílico (0.04 cm de espesor), cuál es el flujo de difusiónió del cloruro de metileno a través del guante? Datos: Coeficiente de difusión en caucho butílico: D = 110x10 8 cm 2 /s Concentraciones en superficies: C 1 = 0.44 g/cm 3 C 2 = 0.02 g/cm 3 12

Ejemplo (cont). Solución asumiendo un gradiente de concentración lineal C 1 guante 2 t b 6D dc dx C2 C D x 2 x 6D Removedor piel 2 1 de pintura C Datos: 2 D= 110x10-8 cm 2 /s x 1 x 2 C 1 = 0.44 g/cm 3 C 2 = 0.02 g/cm 3 J - D 1 x 2 x 1 = 004cm 0.04 J (110 x 10 3-8 2 cm (0.02 g/cm 0.44 g/cm /) /s) (0.04 cm) 3 ) 1.1616 x 10-5 g cm 2 s 13

Difusión y temperatura El coeficiente de difusión aumenta con la temperatura. D D o exp Q d RT D = coeficiente de difusión [m 2 /s] D = pre-exponencial [m 2 o p /s] o Q d R T = energía de activación [J/mol or ev/atom] = constante de los gases [8.314 J/mol-K] = temperatura absoluta [K] 14

Difusión y temperatura D depende exponencialmente de T 1500 1000 600 300 T(C) 10-8 D(m 2 /s) Dintersticial >> Dsubstitucional 10-14 C en -Fe C en -Fe Al en Al Fe en -Fe Fe en -Fe 10-20 1000K/T 05 0.5 10 1.0 15 1.5 15

Example: At 300ºC the diffusion coefficient and activation energy for Cu in Si are D(300ºC) = 7.8 x 10-11 m 2 /s Q d = 41.5 kj/mol What is the diffusion coefficient at 350ºC? D transform data ln D Temp = T 1/T Q d 1 ln D 2 lnd0 and ln D1 ln D R T2 D 2 Qd 1 1 ln D 2 lnd1 ln D1 R T2 T1 0 Q R d 1 T1 16

D2 D1 exp Example (cont.) Q R d 1 T2 1 T 1 T 1 = 273 + 300 = 573K T 2 = 273 + 350 = 623K D 2 (7.8 x 10 41,500 J/mol 1 /s) exp 8.314 J/mol - K 623 K 11 2 1 m 573 K D 2 = 15.7 x 10-11 m 2 /s 17

Difusión en estado no estacionario La concentración ce de las especies que se difunden de es función có tanto de la posición como del tiempo C=C(x,t) En condiciones no estacionarias utilizamos la ecuación con derivadas parciales: Si el coeficiente de difusión es independiente de la composición, la ec. anterior se simplifica a: C D t x 2 C 2 Segunda ley de Fick Las soluciones a esta ecuación se consiguen especificando condiciones límites Físicamente significativas. 18

Consideraciones para la solución En la práctica, una solución importante es la de un sólido semiinfinito cuya concentración superficial se mantiene constante. Frecuentemente la substancia que difunde es un gas, cuya presión parcial se mantiene constante. Se plantean las siguientes hipótesis: 1. Antes de la difusión, todos los átomos de soluto están uniformemente distribuidos en el sólido a concentración C 0. 2. El valor de x en la superficie es cero y aumenta con la distancia dentro del sólido. 3. El tiempo se toma igual a cero en el intante inmediatamente antes de empezar la difusión. Estas condiciones límite son: Para t=0, C= C 0 a 0 x para t>0, C= C s (la concentración superficial constante) x=0 C= C 0 a x= Aplicando las condiciones iniciales, se obtiene la solución: C x,t C o 1 erf C C s o 2 x Dt

Solución: C o x,t C C C 1 erf s o 2 x Dt C(x,t) = Conc. En el punto x al tiempo t erf (z) = función error 2 z e y 2 dy 0 C S C(x,t) C o 20

Cobre difundiéndose hacia una barra de aluminio. Conc. superficial Cs de átomos de Cu. bar Conc. pre-existente C o de átomos de cobre o Cs 21

x,t C x C C s C o o 1 erf Cuando se desea conseguir una concentración determinada d de soluto C 1, el primer miembro de la ec. se convierte en: 2 Dt En esta condición, el segundo miembro de la ec es una constante: o Perfil de concentración Para difusión en estado no Estacionario.

Valores de la función error

Ejemplo Para algunas aplicaciones tecnológicas es más conveniente endurecer la superficie del acero que el interior. Un camino para conseguir este fin es incrementar la concentración de carbono de la superficie en un proceso llamado carburación. La muestra de acero se expone a elevada temperatura, en una atmósfera rica en un hidrocarburo gaseoso, tal como el metano (CH4). Se trata a 450ºC un aleación con una concentración inicial uniforme de 0.25% en peso de carbono. Si la concentración del carbono de la superficie se lleva y se mantiene a 1.2%, cuánto tiempo se necesita para conseguir un contenido del 0.80% a 0.5 mm de profundidad? El coeficiente de difusión del carbono en el hierro a esta temperatura es de 1.6x10 11 m 2 /s. Se supone que la muestra es semiinfinita.

Solución Problema de difusión en estado no estacionario. Co=0.25% C Cs=1.2% C Cx=0.80% 080% X=0.5 mm= 5x10 4 m D=1.6x10 11 11 m2/s Así: Debemos encontrar el valor de z para el cual la función error es de 0.4210. Para ello hacemos una interpolación usando los datos de la tabla:

Entonces Despejando t:

Ejemplo 2 Los coeficientes de difusión del cobre y del aluminio a 500 y 600ºC son 48 4.8x10 14 y 53 5.3x10 13 m 2 /s, respectivamente. t Dt Determine el tiempo aproximado necesario para conseguir a 500ºC la misma difusión del Cu en Al en un punto determinado, que un tratamiento de 10 h a 600ºC. Usamos la ec. La composición de ambas difusiones es igual en la misma posición (x) Entonces Dt = constante a ambas temperaturas (Dt) 500 =(Dt) 600

Ejemplo 3 Los dispositivos como transistores se fabrican dopando semiconductores con diversos dopantes para generar regiones que tengan semiconductividad tipo p o tipo n. El coeficiente de difusión del fósforo (P) en el Si es D=6.5x10 13 cm 2 /s a 1100ºC. Suponga que la fuente proporciona una concentración superficial de 10 20 átomos /cm 3 y que el tiempo de difusión es una hora. Suponga que para empezar, la oblea de silicio no contiene P. A) Calcule la profundidad a la cual la concentración de P será 10 18 átomos/cm 3. B) Qué sucederá con el perfil de concentración al enfriar la oblea de Si con contenido de P? C) Qué sucederá si ahora se debe recalentar la oblea para difundirle boro y crear una región tipo p?

Factores involucrados en la difusión Especies que se difunden d La magnitud del coef. De difusión D es indicativo de la tasa a la cual los átomos se difunden. Las especies que se difunden al igual que el material base influencian el coef. De difusión. Temperatura Influencia profunda en el coeficiente de difusión y la tasa de difusión (D puede aumentar 6 órdenes de magnitud al aumetar la T de 500 a 900ºC en la difusión de Fe en Fe)

Resumen Difusión MÁS RÁPIDA para... estructuras cristalinas abiertas materiales con enlaces secundarios átomos pequeños materiales con baja densidad Difusión MÁS LENTA para... estructuras con empaquetamiento compacto materiales con enlace covalente átomos grandes materiales con alta densidad 31