Transparents sur les semi-conducteurs

SEMICONDUCTEURS
M1 Phytem- E. Deleporte – 2005/2006
PLAN DU COURS:
I)
Propriétés des semiconducteurs massifs
1) Introduction
2) Généralités
a) Semiconducteurs à gap direct / gap indirect
b) Masse effective des électrons
c) Densité d’états électroniques
d) Probabilité d’occupation des états électroniques
e) Notion de trou
3) Semiconducteur à l’équilibre thermodynamique (voir TD 1)
a) Détermination des densité de porteurs (n pour les électrons, p
pour les trous) et du potentiel chimique (m)
b) Semiconducteur intrinsèque
- définition
- Etude de n, p et m en fonction de la température
c) Semiconducteur extrinsèque
- définition
- Etude de n, p et m en fonction de la température
4) Semiconducteur hors d’équilibre
a) Semiconducteur soumis à un champ électrique statique
• mobilité
• conductivité
b) Semiconducteur soumis à un champ électrique alternatif: courant de
déplacement
c) Gradient de concentration: courant de diffusion
d) Relation d’Einstein
e) Durée de vie des porteurs
5) Coefficient d’absorption de semiconducteurs massifs (voir TD 2)
II)
Jonction PN
1) Courant de diffusion
2) Jonction PN abrupte à l’équilibre thermodynamique
a) Jonction abrupte
b) Charge d’espace
c) Tension de diffusion
d) Potentiel et champ électriques
e) Largeur de la zone de charge d’espace
3) Jonction PN abrupte polarisée
a) Principe de fonctionnement en régime de faible injection: courant
direct, courant inverse
b) Distribution des porteurs minoritaires dans les régions neutres
c) Courant de porteurs minoritaires
d) Caractéristique: loi de Schokley
e) Courant de porteurs majoritaires
TRAVAUX DIRIGES:
TD 1: Semiconducteurs à l’équilibre thermodynamique
Calcul des densités d’électrons et de trous, et du potentiel chimique
• dans un semiconducteur intrinsèque
• dans un semiconducteur extrinsèque
TD 2: Coefficient d’absorption de semiconducteurs massifs
• Règle d’Or de fermi
• Règles de sélection
• Calcul du coefficient d’absorption
BIBLIOGRAPHIE!:
Ouvrages destinés aux étudiants de maîtrise!:
• B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer, B. Roulet!: «!Physique statistique!»
• B. Sapoval, C. Hermann!: «!Physique des semiconducteurs!», cours de l’Ecole
Polytechnique, Ellipses
• C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë!: «!Mécanique Quantique!»
Ouvrages plus avancés!:
• Henri Mathieu!: «!Physique des semiconducteurs et des composants électroniques!», Dunod
• G. Bastard!: «!Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures!», CNRS Editions
I-1)
Différents types de matériaux, classés en fonction de la
concentration en électrons de conduction
Résistivité du Germanium pour différentes concentrations en
impuretés
Rappels!: A température nulle
Métal
Isolant
Rappels!: Remplissage des bandes à T=0
E
E
Trait vert:
densité d’états
Trait bleu:
distribution de
Fermi-Dirac
Zone hachurée:
états occupés
Métal
Isolant
Rappels!: Remplissage des bandes à T≠0
E
E
E
Trait vert:
densité d’états
Trait bleu:
distribution de
Fermi-Dirac
Zone hachurée:
états occupés
Métal
Semiconducteur
Isolant
I-2-a)
STRUCTURE DE BANDES
Gap direct
Gap indirect
I-2-b)
QUELQUES VALEURS
Masses effectives
Mobilités
I-2-c)
METAUX / ISOLANTS
Métaux
Isolants
I-2-d)
Fonction de Fermi-Dirac
m: potentiel chimique
I-2-e)
I-3-a)
Densités d’électrons et de trous
à l’équilibre thermodynamique
n(E ) = f(E)N c (E ) , n =
p(E ) = f (E )N v (E ) , p =
Ú
+•
Ec
Ú
Ev
-•
f(E)N c (E )
f(E)N v (E )
f(E) : probabilité d’occupation des états électroniques
Nc(E), Nv(E) : densités d’états dans la bande de conduction et
de valence respectivement
†
I-3-c)
SEMICONDUCTEURS EXTRINSEQUES
Donneurs
Atome de Phosphore dans un réseau de Si (chaque point noir représente un électron). Dans la
structure de bandes, le niveau donneur est situé en-dessous de la bande de conduction
Accepteurs
Atome de Bore dans un réseau de Si (chaque point noir représente un électron). Dans la
structure de bandes, le niveau acepteur est situé au-dessus de la bande de valence
I-3-c)
Allure de variation de porteurs libres avec la température dans un
semiconducteur dopé n
Allure de variation du niveau de Fermi avec la température dans un
semiconducteur de type n avec Nv>Nc
I-4-a)
Mobilité en fonction de T
Conductivité!: s(T) = n(T)emn(T)
n(T)
mn(T)
I-4-e)
II-2-b)
Charge d’espace
II-2-c)
Niveaux d’énergie dans 2 cristaux de type n et p éloignés
Les zones hachurées indiquent les états électroniques remplis, les ronds noirs
représentent les électrons et les ronds blancs les trous.
II-2-d)
Jonction PN à l’équilibre thermodynamique
Profil de dopage
Charge d’espace
Charge d’espace
pour une
jonction abrupte
Potentiel
Bandes
d’énergie
Champ
électrique
II-3-a)
Profils de bandes pour une jonction p-n polarisée
II-3-d)
Caractéristique courant/tension
Loi de Schockley
Effet de claquage