Semi conducteur - Intranet Polytech Paris-Sud

Université Paris-Sud
Polytech Paris-Sud
Spécialité photonique et systèmes optroniques
Année 2015-2016
Introdution aux semi-conducteurs
François Aguillon
[email protected]

Avant-propos
Ce document est le support de cours du module « semiconducteurs » suivi par les étudiants
de la 4ème année de la spécialité « Photonique et systèmes optroniques » de Polytech Paris-Sud,
école d’ingénieur de l’université Paris-Sud, située à Orsay.
Ce module est articulé en deux parties : la première, auquel ce document correspond, fournit
aux étudiants les concepts de base de physique des semi-conducteurs qui leur sont nécessaires
pour aborder les aspects plus spécifiquement photoniques, qu’ils traitent sous la forme d’une
étude bibliographique dans la seconde partie du module. De ce fait, ce document ne correspond
pas un cours de haut niveau en physique des semi-conducteurs, et la photonique y brille par son
absence...
Avant de rentrer dans le vif du sujet, une petite justification « physique » de la présence d’un
cours de semi-conducteurs à destination de futurs ingénieurs en photonique. L’optique moderne
serait très loin d’être ce qu’elle est sans un couplage très fort entre optique et électronique. Or
dans les solides, qui sont de loin les matériaux les plus pratiques à mettre en œuvre, on distingue
traditionnellement les isolants, verres par exemple, où le courant électrique ne se propage pas,
et les conducteurs, où la lumière ne se propage pas. Le seul petit espoir de faire se rencontrer
électrons et photons au cœur d’un solide réside donc dans les matériaux qui sont à la frontière
entre ces deux domaines. Les semi-conduteurs ne sont ni des conducteurs aussi efficaces que
les métaux, ni des milieux aussi transparents que le verre, mais ils permettent de façonner des
dispositifs optiques d’une richesse et d’une diversité qui laisse souvent rêveur...
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Chapitre 1
Electrons dans les solides -
modèle du gaz d’électrons libres
Introduction
L’objet de ce chapitre est de fournir des descriptions raisonnablement simples mais aussi rai-
sonnablement réalistes du mouvement des charges électriques dans un solide, et plus précisément
dans les solides conducteurs.
Pourquoi donner des descriptions, alors qu’on pourrait tout aussi bien viser à donner la
description ? La raison en est la complexité du problème, elle même liée à deux points :
– le très grand nombre de particules composant le solide, de l’ordre de grandeur du nombre
d’Avogadro.
– leur caractère quantique.
Face à une telle difficulté la démarche habituelle du physicien consiste à définir des modèles,
simplifications souvent très fortes de la réalité, et à confronter les prévisions de ces aux comporte-
ments expérimentaux observés. Dans ce chapitre nous aborderons le plus simple de ces modèles :
le gaz l’électrons libres.
1.1 Gaz d’électrons libres classiques
1.1.1 Le modèle de Drude
Le modèle classique du gaz d’électrons libres permet de comprendre la plupart des propriétés
des métaux. Il constitue la première théorie « sérieuse » de l’état métallique. Il est dû à un
physicien anglais, Paul Drude, et constitue en une adaptation de la théorie cinétique des gaz.
Charges mobiles et charges fixes En 1897, J.J Thomson, autre physicien anglais, avait mon-
tré que les électrons sont des particules chargées négativement, présents à l’intérieur des atomes,
et caractérisée par un rapport charge / masse 1000 fois plus élevé que celui qu’on connaissait
pour l’ion H+. Etre à la fois chargé et léger, donc mobile, fait de l’électron un excellent candidat
pour être un vecteur efficace du courant électrique.
D’autre part les chimistes savaient que les atomes métalliques cèdent assez facilement leurs
électrons de valence, au nombre de 1 pour le sodium, 2 pour le magnésium, 3 pour l’aluminium,
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