semiconducteur resumé cour

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Cours : Physique des semi-conducteurs
Chapter · September 2019
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Mebarka Daoudi
Université Tahri Mohammed Béchar
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Université de Béchar
Faculté des sciences exactes
Département des sciences de la matière
Cours : Physique des semi-conducteurs
Présenté par:
Prof. Mebarka DAOUDI
2019

1.1. Définition de semi conducteur
Les cristaux sont classés selon la nature des liaisons établies entre les
différents atomes aux molécules. Il existe quatre types :
Liaisons métalliques,
Liaisons covalentes,
Liaisons ioniques,
Liaison Ven-der-Waals
oLiaisons métalliques :ce type des liaisons forment les métaux,
elles sont formées par les électropositifs ayant un seul électron
périphérique. Cet électron périphérique est libre. On trouve : le
cuivre (Cu), l’argent (Ag) et l’or (Au).
oLiaisons ioniques :elles sont responsables de la formation des
cristaux ioniques. L’association de l’un des éléments alcalins de la
colonne «I» de la classification périodique (élément fortement
électropositif Li, Na, K, Bb, Cs) avec l’un des éléments halogène
de la colonne VII de la classification périodique (élément fortement
Les semi-conducteurs Les semi-conducteurs
électropositif, F, cL,Br,I) permet la formation par attraction coulombienne des
cristaux ionique tels que : LiF, Nacl, KBr.
oLiaisons covalentes :ces liaisons s’établissent entre les éléments de la
colonne IV de la classification périodique (C, Si, Ge, Sn,….) et forment ainsi
des cristaux covalents. Les éléments de la colonne IV possèdent quatre
électrons périphérique appelés électrons de valence.
oLiaison Ven-der-Waals :elle est responsable de la formation des cristaux
moléculaires. Dans ce type de cristaux les forces d’interaction sont
importantes à l’intérieur de la molécule mais faible entre elles.
1.2. Classification des matériaux
Selon les propriétés électriques, les matériaux sont classés en trois catégories :
conducteurs, isolants et semiconducteurs.
oConducteurs :la présence d’électrons libres dans la couche périphérique est à
l’origine de la conductivité électrique d’où àla température ambiante la
résistivité est très faible.
oIsolants :les matériaux qui ont une forte résistivité sont les isolants. Parmi
ces matériaux on trouve le verre, le mica, la silice (SiO2)et le carbone
(diamant).
Sommaire
1. Les semi-conducteurs
1.1. Définition de semi conducteur
1.2. Classification des matériaux
1.3. Evolution de la conductivité dans les solides en fonction de la température
1.4. Bandes des énergies des solides
1.5. Structure cristalline
1.6. Statique de Fermi-Dirac
1.7. Diagramme des bandes énergétiques
1.8. Concentration des porteurs de charges
1.9. La loi d’action de masse
1.10. Les semi-conducteurs intrinsèques
1.11. Equation de neutralité (loi d’action de masse)
1.12. Niveau de Fermi dans le cas d’un semi-conducteur extrinsèque
1.13. L’effet de la température sur le niveau de Fermi
1.14. Evolution des densités des électrons et trous en fonction de la température
1.15. Les mécanismes de transport dans les semi-conducteurs
1.16. Equation de continuité
1.17. Equation de Poisson
1.18. Génération et recombinaison
2. Techniques de dopages
2.1. Introduction
2.2. Procédé de fabrication d’un semi-conducteur à Tours
2.3. Technique de tirage
2.4. Diffusion thermique
2.5. Implantation ionique
2.6. Profil Gaussien 3. La jonction PN
3.1. Définition de la jonction PN
3.2. Type de la jonction
3.3. Étude de la jonction abrupte non polarisée à l’équilibre
3.4. Étude d’une jonction PN polarisé en directe
3.5. Étude d’une jonction NP polarisée en inverse.
3.6. Capacité de transition (ou de jonction) et de diffusion. (Stockage).
3.7. Types de jonction PN
1
1 1

Colonne Semi-conducteur
I-V Ge, Si
III-V Binaire GaAs, GaP, GaSb, InAs
,
InP, InSb.
Ternaire AlGaAs, GaAsP
Quaternaire AlGaAsP
II-VI Binaire
CdS, HgTe, CdTe, ZnTe,
ZnS
Ternaire HgCdTe
à 20 °
C
à
20
°C à
60
°C
Cuivre
50 0,2 27,6 1,73.10-8 1,97.10-8
Ge 2 3 1700 0,60 0,10
Les semi-conducteurs
oSemi-conducteurs :cette classe de matériaux se trouve entre les
conducteurs et les isolants. La résistivité «» des semi-conducteurs
varie de
Le tableau suivant donne des exemples des matériaux semi-conducteurs.
Les semi-conducteurs
1.3. Evolution de la conductivité dans les solides en fonction de la température
L’étude expérimentale de la conductivité permet la distinction entre les conducteurs
et les semi-conducteurs.
Exemple
La mesure de la résistance Rd’un fil de longueur l, de diamètre d, placé dans une
étuve sèche dont la température varie, donne les résultats regroupes dans le tableau
suivant :
Les courbes ci-dessous présentent l’évolution de la résistivité de ces
matériaux en fonction de la température.
Les semi-conducteurs Les semi-conducteurs
Pour un métal, la résistivité croit linéairement avec température, alors pour les
semi-conducteurs, elle décroit fortement avec l’augmentation de la température.
Pour un semi-conducteur la courbe
est linéaire.
1.4. Bandes des énergies des solides
Les électrons d’atome isolé prennent des niveaux discrets d’énergie qui fait
constitues de sous-niveaux, mais lorsqu’on rapproche deux atomes ces niveaux
vont se dédoubler. En étendant ce raisonnement à N atomes, cette dégénérescence
fait apparaitre des bandes d’énergies permises qui peuvent s’interpénétrer et
séparer à nouveau lorsque la distance interatomique diminue donnant des bandes
d’énergie interdite(Gap), de largeur Eg(ev) (figure ci-dessous).
2
R : Résistance.
l: Longueur de fil.
S: Section du fil.
1 1
11

Atome Eg(ev) Type de matériau D (A°)
C (Carbone)
Diamant 5,5 Isolant 3,567
Silice (SiO2)10 Isolant
Si (Silicium) 1,14 Semi-conducteur 5,431
Ge (Germanium) 0,7 Semi-conducteur 5,646
GaAs 1,43 Semi-conducteur
Sn (Etain) 0 Métal conducteur 6,484
Note : dans un métal l’influence de la température sur la répartition des
électrons reste faible. Alors qu’elle est importante pour un semi-
conducteur. Il se transforme d’un isolant parfait à 0k, il devient
conducteur à température ambiante.
Les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs
La répartition des électrons sur les niveaux d’énergies satisfait au
principe d’exclusion de ‘Pauli’et suit une loi de répartition statistique.
A basse température (proche de 0k), seuls les niveaux d’énergies
inferieure à l’énergie de Fermi sont occupés.
Le tableau donne quelques exemples de largeur de bande interdite ainsi
que de distances interatomique.
oSemi-conducteur à gap direct
Dans les semi-conducteurs à gap direct le maximum de la bande de valence et
le minimum de la bande de conduction sont au même point (même vecteur
d’onde ) comme il est illustré sur la figure ci-dessous.
Exemple : GaAs, PbTe
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1 1
11