Composants Electroniques

ELE101
composants électroniques
Plan
Composants ElectroniquesComposants Electroniques
•Introduction
C titti d l tiè d l’él t àl’t d l’t itl
•
C
ons
tit
u
ti
on
d
e
l
a ma
tiè
re :
d
e
l’él
ec
t
ron
à
l’
a
t
ome,
d
e
l’
a
t
ome au cr
i
s
t
a
l
•Les matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
•
Semiconducteurs à l
’
équilibre
Semiconducteurs
à
l équilibre
•Dynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
•Dispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonction
•Dispositifs élémentaires : transistor bipolaire
•Dispositifs élémentaires : jonctions MS et MIS
•
Di itif élé t i t i t à ff t d h
•
Di
spos
itif
s
élé
men
t
a
i
res :
t
rans
i
s
t
or
à
e
ff
e
t
d
e c
h
amp
•Dispositifs optoélectroniques
•Futur : nanoélectroni
q
u
e
C A 147
q
ELE101
composants électroniques
•
Tild ti
ffi ité él t i
Jonction Métal-Semiconducteur
•
T
rava
il
d
e sor
ti
e – a
ffi
n
ité
él
ec
t
ron
i
qu
e
Travail de sortie : eΦm= NV - EF
e- libres dans le métal et sur le niveau de Fermi Îpeuvent être extraits du métal avec l’apport d’1 E
suffisante
Affinité électroni
q
ue : e
χ
= NV - E
C
q
χ
C
e- libres sur la BC dans SC et isolant Îpeuvent être extraits du métal avec l’apport d’1 E suffisante
Barrière de potentiel : EB= eΦm-eχ
Si Métal et SC suffisamment proches ÎEnergie nécessaire pour que les e- passent du métal au SC
ÎIdem si 2 SC différents sont proches : EB= qeχ1–eχ2
E
C2
e
χ
SC1 SC2
NV
eχ2
Métal SC
E
C
e
Φ
NV
eχ
Niveaux
id BC
E
C2
EC1
e
χ
1EB
E
C
EFm
e
Φ
m
EV
EB
v
id
es
BC
Niveaux
pleins BC
C A 148
pleins
BC
ELE101
composants électroniques
•
Tild ti
ffi ité él t i l té i
Jonction Métal-Semiconducteur
•
T
rava
il
d
e sor
ti
e – a
ffi
n
ité
él
ec
t
ron
i
que : que
l
ques ma
té
r
i
aux
SC
Métaux SC e
χ
(
eV
)
eΦ
SC
(
eV
)
Métal eΦm(eV)
Li 2.3
Na
23
Simple IV
χ
()
SC
()
Si 4.01 5.13
Ge 4.13 4.79
AIP 3.44 5.89
Na
2
.
3
K2.2
Rb 2.2
Cs
18
faible travail
de sortie
Composés III
-
V
AlAs 3.5 5.66
AlSb 3.6 5.2
GaP 4.3 6.55
GaAs
407
55
Cs
1
.
8
Fr 1.8
Cr 4.6
Fe 4.4
Composés
III
-
V
GaAs
4
.
07
5
.
5
GaSb 4.06 4.74
InP 4.38 5.65
InAs
4.9
5.26
Ni 4.5
Al 4.3
Cu 4.4
fort travail
de sortie
InAs
4.9
5.26
InSb 4.59 4.66
ZnS 3.9 7.48
ZnSe 4.09 6.76
Φ
i d 18à53 V
Ag 4.3
Au 4.8
Pt 5.3
Composés II-VI ZnTe 3.5 5.76
CdS 4.5 6.92
CdSe 4.95 6.65
CdT
428
573
C A 149
e
Φ
mvar
i
e
d
e
1
.
8
à
5
.
3
e
V
eχvarie de 3.5 à 4.95eV
CdT
e
4
.
28
5
.
73
SiO2 1.1
ELE101
composants électroniques
•
Itéêt did Shttk t t h i
Jonction Métal-Semiconducteur
•
I
n
té
r
êt
:
di
o
d
e
S
c
h
o
ttk
y ou con
t
ac
t
o
h
m
i
qu
e
Dépôt d’1 couche métallique sur 1 couche de SC Îcontact pour récupérer le courant issu d’1 jonction
À la base de 2 dispositifs élémentaires :
Contact ohmique
: contact sur 1 SC
II
Contact
ohmique
:
contact
sur
1
SC
Diode schottky : dispositif unipolaire
Î1 seul type de porteurs Diode
PN
Diode
Schottky
V
Contact
ohmique
ÎPas de minoritaires en excès stockés
ÎPas de capa de diffusion
Î
Commutation + rapide que diode PN
V
PN
V
Î
Commutation
+
rapide
que
diode
PN
Jonction Schottky :
¾Dopage du semiconducteur < 1017 cm-3
Contact ohmique :
¾Do
p
a
g
e du semiconducteur > 1018 cm-3
¾Structure du type « rectifiante »
¾Comparaison avec une jonction PN
pg
¾Caractéristique linéaire
¾Résistance de contact
C A 150

ELE101
composants électroniques
•
JtiSC
Mét l t t t
Jonction Métal-Semiconducteur
•
J
onc
ti
on
SC
-
Mét
a
l
: avan
t
con
t
ac
t
Barrière de potentiel : EB= eΦm-qχ
ÎStructure des bandes au voisinage de l’interface dépend de la différence entre Φmet ΦSC
3 cas :
Φ
=
Φ
3
cas
:
•nm=1022 à 1023 cm-3
•EFm dans la BC
E
C
eΦm
Métal SC
NV
eχeΦSC
Φ
m
=
Φ
SC
•EFSC dépend du dopage
E
C
EFm
EV
EBEFSC EG
Métal SC
NV
eχ
e
Φ
SC
Métal SC
NV
eχ
e
Φ
SC
Φm> ΦSC Φm< ΦSC
EC
EFm
eΦmEB
EF
SC
e
Φ
SC
E
EC
EFm
eΦm
E
V
EBEFSC
e
Φ
SC
EG
C A 151
EV
E
G
E
V
ELE101
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•
Mi t t SC
Mét l
Φ
Φ
à l’é ilib
Jonction Métal-Semiconducteur
•
Mi
se en con
t
ac
t
SC
-
Mét
a
l
: cas
Φ
m=
Φ
SC
à
l’é
qu
ilib
re
Alignement des niveaux de Fermi
Diagramme des bandes identique si SC dopé N ou P
Diagramme
des
bandes
identique
si
SC
dopé
N
ou
P
Mise en contact sans échange d’e- entre SC et M
ÎRégime de bandes plates
Métal
SC
EC
eΦm
Métal
SC
E
NV
eχeΦSC
E
EFm
EV
E
BEFSC
E
G
C A 152
ELE101
composants électroniques
•
Mise en contact SC
-
Métal : cas
Φ
>
Φ
SC
àl
’
équilibre
Jonction Métal-Semiconducteur
Mise
en
contact
SC
Métal
:
cas
Φ
m
>
Φ
SC
à
l équilibre
Alignement des niveaux de Fermi Îcourbure des bandes à l’interface vers le haut
Dia
g
ramme des bandes différent selon do
p
a
g
e du SC
gpg
Mise en contact avec passage d’e- du SC vers M Îaccumulation d’e- dans le Métal, à l’interface
•SC type N :
Apparition d’1 zone déplétée au voisinage de la jonction : les e- qui ont atteint le Métal laissent une
charge > 0 (Nd-) dans cette zone
Dans cette ZD : cham
p
électri
q
ue et
p
otentiel de diffusion
V
D
à l’é
q
uilibre
pqp
D
q
NM>> NDSC ÎCharge d’espace relativement étalée à l’intérieur du SC Îcourbure des bandes
ZD : régime de déplétion (absence de charges libres, présence d’ ions > 0 à l’interface dans le SC)
E
C
e
Φ
Métal SC
NV
eχeΦSC
e
Φ
Métal SC
NV
eχ
e
Φ
e
Φ
’
F
ZD
eVD
EFm
e
Φ
m
EV
EBEFSC
EG
EC
EFm
e
Φ
m
E
EB
EFSC
e
Φ
SC
eΦF
e
Φ
F
C A 153
NM≈1022cm-3 et NDSC≈1016 à 1018cm-3
E
V
ELE101
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•
Mise en contact SC
-
Métal : cas
Φ
>
Φ
SC
àl
’
équilibre
Jonction Métal-Semiconducteur
Mise
en
contact
SC
Métal
:
cas
Φ
m
>
Φ
SC
à
l équilibre
SC t P
•
SC
t
ype
P
:
Apparition d’1 ZCE au voisinage de la jonction : diffusion des e- vers le Métal
Accumulation de t libres à l
’
interface dans le SC
Î
charge d
’
espace > 0 à l
’
interface dans le SC
Accumulation
de
t
libres
à
l interface
dans
le
SC
Î
charge
d espace
>
0
à
l interface
dans
le
SC
Dans cette ZCE : champ électrique et potentiel de diffusion VD à l’équilibre
Charge d
’
espace relativement étalée à l
’
intérieur du SC
Î
courbure des bandes
Charge
d espace
relativement
étalée
à
l intérieur
du
SC
Î
courbure
des
bandes
ZCE : régime d’accumulation (de charges libres t à l’interface dans le SC)
EC
eΦm
Métal SC
E
NV
eχ
E
eΦSC
SC
ZCE
E
eΦm
Métal SC
eVD
NV
eχeΦSC
EFm EV
E
B
E
FSC
EG
E
C
EFm
EV
EFSC
EG
C A 154

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•
Mise en contact SC
-
Métal : cas
Φ
<
Φ
SC
àl
’
équilibre
Jonction Métal-Semiconducteur
Mise
en
contact
SC
Métal
:
cas
Φ
m
<
Φ
SC
à
l équilibre
Alignement des niveaux de Fermi Îcourbure des bandes à l’interface vers le bas
Dia
g
ramme des bandes différent selon do
p
a
g
e du SC
gpg
Mise en contact avec passage d’e- du M vers SC Îdéficit d’e- dans le Métal, à l’interface
•SC type N :
Apparition d’1 ZCE au voisinage de la jonction : les e- qui ont quitté le Métal s’accumulent dans
cette zone
Dans cette ZCE : cham
p
électri
q
ue et
p
otentiel de diffusion
V
D
à l’é
q
uilibre
pqp
D
q
Charge d’espace relativement peu étalée à l’intérieur du SC Îcourbure des bandes
ZCE : régime d’accumulation (charges libres e- à l’interface dans le SC)
eΦ
m
Métal SC
NV
eχeΦSC
ZCE
eVD
Métal SC
NV
eχeΦSC
EC
EFm EB
EFSC
EG
EFSC
EC
EFm
eΦm
EFSC
EG
EFSC
C A 155
NM≈1022cm-3 et NDSC≈1016 à 1018cm-3
EVEV
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•
Mise en contact SC
-
Métal : cas
Φ
<
Φ
SC
àl
’
équilibre
Jonction Métal-Semiconducteur
Mise
en
contact
SC
Métal
:
cas
Φ
m
<
Φ
SC
à
l équilibre
•SC type P :
Apparition d’1 ZD au voisinage de la jonction : recombinaison des e- venant du Métal avec les t
Déplétion de t libres à l’interface dans le SC Îcharge d’espace < 0 (Na-) à l’interface dans le SC
Dans cette ZCE : champ électrique et potentiel de diffusion VD à l’équilibre
Charge d’espace relativement étalée à l’intérieur du SC Îcourbure des bandes
ZD : régime de déplétion (absence de charges libres, présence d’ions < 0 à l’interface dans le SC)
Métal SC
NV
ZDMétal SC
NV
EFm
eΦmEB
NV
eχeΦSC eVD
NV
eχeΦSC
EC
EV
EG
EFSC
EC
EFm
eΦm
EV
EFSC
EG
EFSC
C A 156
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•
Mise en contact SC
-
Métal : cas
Φ
>
Φ
SC
polarisée
Jonction Métal-Semiconducteur
Mise
en
contact
SC
Métal
:
cas
Φ
m
>
Φ
SC
polarisée
•SC type N :
Barrière de potentiel M-SC constante qq soit la polarisation
Zone isolante (vide de porteurs) à l’interface : tension localisée dans la ZCE
Tension SC-M < 0 : polarisation directe
abaissement de la barrière de potentiel SC-M Îles e- diffusent vers M Îcréation d’1 courant MÎSC
Tension SC-M > 0 : polarisation inverse
augmentation de la barrière de potentiel SC-M Îpas de diffusion des e- Îpas de courant
Contact redresseur : diode schottky
Métal SC
I = 0
Métal SC
E
FSC
V
EC(-V)
I
eV
D
e(
V
+V)
eV
D
e(VD-V)
eV
D
e(
V
+V
+
)
EC(0)
EFm
EFSC eV
EC(V)
EC(0)
EFm
E
FSC
-e
V
D
e(
V
D
+V)
D
D
e(
V
D
+V
)
C A 157
V = VSC –V
M> 0-V = VSC –V M< 0
ELE101
composants électroniques
•
Mise en contact SC
-
Métal : cas
Φ
>
Φ
SC
polarisée
I = 0
Mise
en
contact
SC
Métal
:
cas
Φ
m
>
Φ
SC
polarisée
•SC type P :
Tension SC-M < 0 : polarisation directe
Tension SC-M > 0 : polarisation inverse
Pas de zone isolante (vide de porteurs) à l’interface : tension distribuée dans tout le SC
A l’interface, l’arrivée ou le départ d’1 t dans le SC est tt de suite compensé par celui d’1 e- dans le métal
Î
le courant circule librement dans les 2 sens au contact
Î
utilisation pour contacter les couches
Î
le
courant
circule
librement
dans
les
2
sens
au
contact
Î
utilisation
pour
contacter
les
couches
de type P d’1 dispositif
Contact ohmique
EV(-V)
I
Métal SC
-
eV
EFSC
EFm
E
(0)
Métal SC
I
EFm
EV(0)
eV
E
V
(0)
+eV
EFSC
E
(V)
C A 158
-V = VSC –V
M< 0 V = VSC –V M> 0
E
V
(
+
V)

ELE101
composants électroniques
•
Mise en contact SC
-
Métal : cas
Φ
<
Φ
SC
polarisée
Jonction Métal-Semiconducteur
Mise
en
contact
SC
Métal
:
cas
Φ
m
<
Φ
SC
polarisée
•SC type N :
Tension SC-M < 0 : polarisation directe
Tension SC-M > 0 : polarisation inverse
Pas de zone isolante (vide de porteurs) à l’interface : tension distribuée dans tout le SC
A l’interface, tout e- passe librement du SC au Métal, ou du Métal au SC Île courant circule librement
dans les 2 sens au contact Îutilisation pour contacter les couches de type N d’1 dispositif
Contact ohmi
q
ue
q
EC(-V)
I
Métal
-
eV
EFSC
E
EC(0)Métal
I
EFm
EC(0)
SC
eV
E
Fm
+eV
E
EC(+V)
C A 159
-V = VSC –V
M< 0
SC
V = VSC –V
M> 0
SC
E
FSC
ELE101
composants électroniques
•
Mise en contact SC
-
Métal : cas
Φ
<
Φ
SC
polarisée
Jonction Métal-Semiconducteur
Mise
en
contact
SC
Métal
:
cas
Φ
m
<
Φ
SC
polarisée
•SC type P :
Zone isolante (vide de porteurs) à l’interface : tension localisée dans la ZCE
Tension SC-M < 0 : polarisation directe
augmentation de la barrière de potentiel SC-M Îpas de diffusion des t Îpas de courant
Tension SC-M > 0 : polarisation inverse
abaissement de la barrière de potentiel SC-M Îles t diffusent vers M Îcréation d’1 courant SCÎM
Contact redresseur : diode schottky
E
V
(-V)
I = 0
Métal SC
EFSC EFm
I
E
V
(0)
Métal SC
-eV
EFm
EV(0)
-eV
E
V
(0)
EV(+V)
EFSC
C A 160
-V = VSC –V
M< 0 V = VSC –V
M> 0
ELE101
composants électroniques
•
Jonction SC
-
Métal :
Jonction Métal-Semiconducteur
Jonction
SC
Métal
:
•Contact ohmique :
Φm< ΦSC : Métal – SC type N
Φm> ΦSC : Métal – SC type P
•Contact schottky :
Φm< ΦSC : Métal – SC type P
Φm> ΦSC : Métal – SC type N
•Prise en compte d’états d’interface :
Si ces états ont des niveaux d’énergie situés dans le gap du SC ÎIls participent à l’échange de
porteurs entre M et SC à l’interface
ÎHauteur de la barrière de schottky dépend de la densité de ces états d’interface
C A 161
ELE101
composants électroniques
•
Contact schottky : champ et potentiel électriques dans la ZCE
Jonction Métal-Semiconducteur
Contact
schottky
:
champ
et
potentiel
électriques
dans
la
ZCE
Φm> ΦSC : Métal – SC type N
Àl
’
équilibre thermodynamique
Métal SC
ZCE
e
V
À
l équilibre
thermodynamique
Modèle unidimensionnel
ZCE vide de porteurs libres
0<x<W :
ρ
(x)
=
eN
D
EC
EFm
eΦmEB
NV
eχ
E
FSC
eΦSC
e
V
D
0<x<W
:
ρ
(x)
eN
D
X>W : ρ(x) = 0 et E(x) = 0
•Equation de poisson :
EV
FSC
ρ(x)
()
2
D
2
SC
dVx eN
= - ε
dx
() ()
D
SC
dV x eN
E(x) = - = - x - W
dx ε
2
D
eN x
V(x)
=- -
Wx
⎛⎞
⎜⎟
x
0W
V(x)
V
SC
V(x)
Wx
ε2
⎜⎟
⎝⎠
(
)
(
)
2
D
eN
V
=
VW
-
V0
=
W
x
E(x)
V
D
(
)
(
)
D
SC
V
VW
V0
W
2ε
(
)
SC SC
DMSC
2ε2ε
W = V =
NN
Φ−Φ
x
E(x)
EM
eN W
C A 162
(
)
DD
e
N
e
N
D
M
SC
eN W
E = - ε

ELE101
composants électroniques
•
Contact schottky : capacité
Jonction Métal-Semiconducteur
Contact
schottky
:
capacité
Jonction polarisée positivement : VM–V
SC > 0
Barrière de potentiel = V
-
V
Barrière
de
potentiel
=
V
D
-
V
Largeur de la ZCE :
()
SC
D
D
2ε
W = V -V
eN
Charge dans la ZT :
MSC
Q+ Q = 0
()
SC D SC D D
Q = eN WA = A 2eεNV-V
Capacité de transition (dynamique) :
dQ dQ
e
ε
1
⇔Capa plan de surface A et d’épaisseur w :
dQ dQ
C = - (car <0)
dV dV
()
SC
D
D
e
ε
1
C = A N
2V-V
SC
εA
Absence de charges stockées par les minoritaires dans la ZCE Îpas de capacité de diffusion
()
SC
εA
C = WV
C A 163
ÎFonctionnement hautes fréquences : diodes détectrices ou mélangeuses de signaux
ELE101
composants électroniques
•
Contact schottky : courant à travers la jonction à l
’
équilibre
Jonction Métal-Semiconducteur
Contact
schottky
:
courant
à
travers
la
jonction
à
l équilibre
Φm> ΦSC : Métal – SC type N
Courant du aux porteurs majoritaires :
àl
’
interface : émission thermoélectronique par dessus la
Courant
du
aux
porteurs
majoritaires
:
à
l interface
:
émission
thermoélectronique
par
dessus
la
barrière de potentiel et dans la ZCE : diffusion Îcourant conservatif (ils sont identiques)
Métal SC
NV
e
χ
ZCE
eVD
Courant d’émission thermoélectronique à l’équilibre :
EC
EFm
eΦmEB
NV
e
χ
EFSC
eΦSC
D
eV
-
*2 kT
J
=
ATe
EV
NV
V=0
2
n
*
J
ATe
4πem k
où A
=
M
SC→
Avec JMÎSC = JSCÎMeΦmEB
NV
eχ
EFSC
eΦ’b
eVDEC(V)
3
où
A
h
A* = constante de Richardson
T = T° en K
VD= potentiel de diffusion = barrière de potentiel côté SC
Î
eV
D
=
e
Φ
-
e
Φ
SC
EC(0)EFm
EV(0)
EV(V)
VM-V
SC=V>0
C A 164
Î
eV
D
e
Φ
m
e
Φ
SC
ELE101
composants électroniques
•
Contact schottky : courant à travers la jonction polarisée
Jonction Métal-Semiconducteur
Contact
schottky
:
courant
à
travers
la
jonction
polarisée
Φm> ΦSC : Métal – SC type N
Jonction polarisée positivement : V
–
V
>0
NV
Jonction
polarisée
positivement
:
V
M
–
V
SC
>
0
Abaissement de la barrière de potentiel SC ÎM : VD–V
Barrière de potentiel M ÎSC inchangée eΦmE
B
NV
eχ
EFSC
eΦ’b
eVDEC(V)
Courant d’émission thermoélectronique jonction polarisée :
EC(0)EFm
EV(0)
B
EV(V)
VM-V
SC=V>0
()
DDD
eV - V eV eV eV
-- -
*2 *2
kT kT kT kT
SC M M SC
J = J - J = AT e - e = ATe e - 1
→→
⎛⎞
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
V
⎛⎞
AN : Métal/Si : e
Φ
m
-
e
Φ
SC
≈
0.6eV
T
=
300K ; A
*=
120 A.cm
-2
.K
-2
;N
D
=
10
17
cm
-3
e
V
kT
S
J = J e - 1
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
AN
:
Métal/Si
:
e
Φ
m
e
Φ
SC
0.6eV
T
300K
;
A
120
A.cm
.K
;
N
D
10
cm
ÎJS= 4.10-4 A.cm-2 et W = 89nm
Jonction PN Si ÎJS= 10-11 A.cm-2 et W > 100nm
¾
On devra appliquer une polarisation plus faible a courant constant
C A 165
¾
On
devra
appliquer
une
polarisation
plus
faible
a
courant
constant
¾Courant de fuite inverse plus élevé que pour une jonction PN
ELE101
composants électroniques
•
Contact schottky : courant à travers la jonction polarisée : théorie de la diffusion
Jonction Métal-Semiconducteur
Contact
schottky
:
courant
à
travers
la
jonction
polarisée
:
théorie
de
la
diffusion
Φm> ΦSC : Métal – SC type N
Jonction polarisée positivement : V
–
V
>0
Jonction
polarisée
positivement
:
V
M
–
V
SC
>
0
Résolution de l’équation de diffusion dans la ZCE (présence de gradient de concentration +
champ électrique)
(
)
(
)
dn
j=eµnxEx+eD
ÎCourant de diffusion de la forme :
eV
V
⎛⎞
(
)
(
)
nn n
j=
eµ n x E x
+
eD
dx
D
eV
e
V
-
kT kT
Sd Sd
J = J e - 1 avec J e
⎛⎞
∝
⎜⎟
⎝⎠
Expression identique à celle de la théorie d’émission thermoélectronique
Courant conservatif Îcourant diffusion = courant thermoélectronique
On les considère en série et égaux : à l
’
interface c
’
est le courant thermoélectronique et dans la ZCE
On
les
considère
en
série
et
égaux
:
à
l interface
c est
le
courant
thermoélectronique
et
dans
la
ZCE
c’est le courant de diffusion
C A 166