Распределение примесей после диффузии.
Основой математического описания процессов диффузии являются два дифференциальных уравнения Фика (немецкий ученый A. Fick предложил их в 1855 г.).
Первое уравнение (первый закон Фика) записывается следующим образом:
J
= - D
grad N (7)
где J
- плотность потока диффундирующего вещества, т.е. количество вещества, проходящего за единицу времени через единичную площадь поверхности, перпендикулярной направлению переноса вещества;
N - концентрация атомов примеси.
D
- коэффициент диффузии.
Физический смысл этого уравнения — первопричиной диффузионного массопереноса вещества является градиент его концентрации. Скорость переноса пропорциональна градиенту концентрации, а в качестве коэффициента пропорциональности вводится коэффициент диффузии. Знак минус в правой части (7) указывает на то, что диффузия происходит в направлении убывания концентрации. Другими словами, диффузия идет благодаря стремлению системы достичь физико-химического равновесия. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока химические потенциалы компонентов всей системы не станут равными. Уравнение (7) описывает стационарный (установившийся) процесс - процесс, параметры которого не зависят от времени.
В макроскопическом представлении коэффициент диффузии определяет плотность потока вещества при единичном градиенте концентрации и является, таким образом, мерой скорости выравнивания градиента концентрации. Размерность коэффициента диффузии - м2/с. В общем случае диффузия анизотропна и коэффициент диффузии - симметричный тензор второго ранга.
Согласно микроскопическому определению, компонента Dx коэффициента диффузии D
по координате x связана со среднеквадратичным смещением 
диффундирующих атомов по координате x и интервалом времени Dt, в течение которого это смещение произошло соотношением
Когда концентрация вещества изменяется только в одном направлении (одномерная диффузия) и при диффузии в изотропной среде (коэффициент диффузии - скаляр) первое уравнения Фика имеет следующий вид:
(8)
При простейшем анализе структур и в простейших моделях процессов легирования в технологии изготовления ИМС предполагаются именно такие условия диффузии.
Второе уравнение диффузии (второй закон Фика) получается путем сочетания первого закона и принципа сохранения вещества, согласно которому изменение концентрации вещества в данном объеме должно быть равно разности потоков этого вещества на входе в объем и выходе из него.
В общем случае второе уравнение диффузии имеет следующий вид
(9)
Для одномерной диффузии в изотропной среде уравнение (9) можно записать
(10)
Второй закон Фика характеризует процесс изменения концентрации диффундирующей примеси во времени в различных точках среды и является математической моделью нестационарного (развивающегося) состояния системы (описывает период времени от начала процесса до установления стационарного состояния).
Смотрите также
Экологические аспекты создания водородной энергетики (для учащихся
средней школы)
Введение в проблему водородной энергетики для учащихся 9 классов на
первом этапе возможно в виде как приведенных ниже выполненных самим учителем докладов,
так и небольших сообщений, подготовленных с ...
Хроматографические методы
Хроматографический метод – физико-химический
метод разделения компонентов сложных смесей газов, паров, жидкостей или
растворенных веществ, основанный на использовании сорбционных процессов в ...
Определение степени минерализации воды в реках г. Уссурийска
...