ELE101. ELE101 composants électroniques. Plan. Jonction Métal-Semiconducteur. Composants Electroniques. Travail de sortie affinité ité électronique

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1 Plan Jonction -Semiconducteur ntroduction Composants Electroniques Constitution de la matière : de l électron à l atome, de l atome au cristal Les matériau :, conducteur, semiconducteur Semiconducteurs à l équilibre ynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre ispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonction ispositifs élémentaires : transistor bipolaire ispositifs élémentaires : jonctions MS et MS ispositifs itif élémentaires : transistor t à effet de champ ispositifs optoélectroniques Futur : nanoélectronique Travail de sortie affinité ité électronique Travail de sortie : = - E F e- libres dans le métal et sur le niveau de Fermi peuvent être etraits du métal avec l apport d 1 E suffisante Affinité électronique : χ = - e- libres sur la BC dans et peuvent être etraits du métal avec l apport d 1 E suffisante Barrière de potentiel : = - Si et suffisamment proches Energie nécessaire pour que les e- passent du métal au dem si différents sont proches : = q 1 Niveau vides BC Niveau pleins BC EV C A 147 C A 148 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Travail de sortie affinité ité électronique : quelques matériau Métau (ev) eφ ( (ev) Si (ev) Simple V Ge Li.3 AP Na 3.3 AlAs K. faible travail AlSb Rb. de sortie GaP Cs Composés -V GaAs Fr 1.8 GaSb Cr 4.6 np Fe 4.4 nas Ni 4.5 nsb Al 4.3 fort travail ZnS Cu 4.4 de sortie ZnSe Ag 4.3 Composés -V ZnTe Au 4.8 CdS Pt 5.3 CdSe eφφ m varie de à53 5.3eV CdTe varie de 3.5 à 4.95eV SiO 1.1 C A 149 ntérêt : diode d Schottky ou contact t ohmique épôt d 1 couche métallique sur 1 couche de contact pour récupérer le courant issu d 1 jonction À la base de dispositifs élémentaires : Contact ohmique : contact sur 1 iode schottky : dispositif unipolaire 1 seul type de porteurs Pas de minoritaires en ecès stockés Pas de capa de diffusion Commutation + rapide que diode PN iode Schottky iode PN V Contact ohmique Jonction Schottky : Contact ohmique : opage du semiconducteur < cm -3 opage du semiconducteur > cm -3 Structure du type «rectifiante» Caractéristique linéaire Comparaison avec une jonction PN Résistance de contact C A 150 V

2 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Jonction - : avant contact t Mise en contact t - : cas Φ m = Φ à l équilibre Barrière de potentiel : = -qχ Structure des bandes au voisinage de l interface dépend de la différence entre Φ m et Φ Alignement des niveau de Fermi 3 cas : Φ m = Φ n m =10 à 10 3 cm -3 dans la BC dépend du dopage eφ iagramme des bandes identique si dopé N ou P Mise en contact sans échange d e- entre et M Régime de bandes plates Φ m > Φ eφ Φ m < Φ eφ eφ EFm E G C A 151 C A 15 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Mise en contact - : cas Φ m > Φ àl équilibre Mise en contact - : cas Φ m > Φ àl équilibre Alignement des niveau de Fermi courbure des bandes à l interface vers le haut iagramme des bandes différent selon dopage du Mise en contact avec passage d e- du vers M accumulation d e- dans le, à l interface type N : Apparition d 1 zone déplétée au voisinage de la jonction : les e- qui ont atteint le laissent une charge > 0 (N d- ) dans cette zone ans cette Z : champ électrique et potentiel de diffusion V à l équilibre N M >> N Charge d espace relativement étalée à l intérieur du courbure des bandes type P : Apparition d 1 ZCE au voisinage de la jonction : diffusion des e- vers le Accumulation de t libres à l interface dans le charge d espace > 0 à l interface dans le ans cette ZCE : champ électrique et potentiel de diffusion V à l équilibre Charge d espace relativement étalée à l intérieur du courbure des bandes ZCE : régime d accumulation (de charges libres t à l interface dans le ) Z : régime de déplétion (absence de charges libres, présence d ions > 0 à l interface dans le ) eφ E eφ C m E F Z ev eφ F eφ E eφ F F eφm eφ ZCE ev eφ N M 10 cm -3 et N à cm -3 EV C A 153 C A 154

3 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Mise en contact - : cas Φ m < Φ àl équilibre Mise en contact - : cas Φ m < Φ àl équilibre Alignement des niveau de Fermi courbure des bandes à l interface vers le bas iagramme des bandes différent selon dopage du Mise en contact avec passage d e- du M vers déficit d e- dans le, à l interface type N : Apparition d 1 ZCE au voisinage de la jonction : les e- qui ont quitté le s accumulent dans cette zone ans cette ZCE : champ électrique et potentiel de diffusion V à l équilibre Charge d espace relativement peu étalée à l intérieur du courbure des bandes type P : Apparition d 1 Z au voisinage de la jonction : recombinaison des e- venant du avec les t éplétion de t libres à l interface dans le charge d espace < 0 (N a- ) à l interface dans le ans cette ZCE : champ électrique et potentiel de diffusion V à l équilibre Charge d espace relativement étalée à l intérieur du courbure des bandes Z : régime de déplétion (absence de charges libres, présence d ions < 0 à l interface dans le ) ZCE : régime d accumulation (charges libres e- à l interface dans le ) ZCE eφ ev eφ Z eφ eφ ev EG E Fm EG EG N M 10 cm -3 et N à cm -3 C A 155 C A 156 Jonction -Semiconducteur = 0 Mise en contact - : cas Φ m > Φ polarisée Mise en contact - : cas Φ m > Φ polarisée type N : Barrière de potentiel M- constante qq soit la polarisation Zone e (vide de porteurs) à l interface : tension localisée dans la ZCE Tension -M < 0 : polarisation directe abaissement de la barrière de potentiel -M les e- diffusent vers M création d 1 courant M Tension -M > 0 : polarisation inverse augmentation de la barrière de potentiel -M pas de diffusion des e- pas de courant type P : Tension -M < 0 : polarisation directe Tension -M > 0 : polarisation inverse Pas de zone e (vide de porteurs) à l interface : tension distribuée dans tout le A l interface, l arrivée ou le départ d 1 t dans le est tt de suite compensé par celui d 1 e- dans le métal le courant circule librement dans les sens au contact utilisation pour contacter les couches de type P d 1 dispositif Contact ohmique Contact redresseur : diode schottky e(v = 0 -V) (-V) ev E ev F -ev e(v +V+ +V) ) (0) (0) (V) ev -V = V V M < 0 V = V V M > 0 (-V) -ev EV(0) -V = V V M < 0 V = V V M > 0 (0) +ev (+V) C A 157 C A 158

4 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Mise en contact - : cas Φ m < Φ polarisée Mise en contact - : cas Φ m < Φ polarisée type N : type P : Tension -M < 0 : polarisation directe Tension -M > 0 : polarisation inverse Pas de zone e (vide de porteurs) à l interface : tension distribuée dans tout le Zone e (vide de porteurs) à l interface : tension localisée dans la ZCE Tension -M < 0 : polarisation directe augmentation de la barrière de potentiel -M pas de diffusion des t pas de courant Tension -M > 0 : polarisation inverse A l interface, tout e- passe librement du au, ou du au le courant circule librement dans les sens au contact utilisation pour contacter les couches de type N d 1 dispositif Contact ohmique (-V) -ev (0) -V = V V M < 0 V = V V M > 0 +ev (0) (+V) C A 159 abaissement de la barrière de potentiel -M les t diffusent vers M création d 1 courant M Contact redresseur : diode schottky = 0 EFm (-V) E -ev Fm (0) -V = V V M < 0 V = V V M > 0 -ev (0) (+V) C A 160 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Jonction - : Contact schottky : champ et potentiel électriques dans la ZCE Contact ohmique : Φ m < Φ : type N Φ m > Φ : type P Contact schottky : Φ m < Φ : type P Φ m > Φ : type N Prise en compte d états d interface : Si ces états ont des niveau d énergie situés dans le gap du ls participent à l échange de porteurs entre M et à l interface Hauteur de la barrière de schottky dépend de la densité de ces états d interface C A 161 Φ m > Φ : type N À l équilibre thermodynamique Modèle unidimensionnel ZCE vide de porteurs libres 0<<W : ρ() = en X>W : ρ() = 0 et E() = 0 Equation de poisson : dv () en dv() en = - E() = - = - ( - W) d ε d ε en ε V() =- -W en V = - = VW V0 W ε ( ) ( ) W ZCE ev eφ ρ() 0 W V() V E() E M ε ε W = V = ( M ) en Φ Φ en en W E M = - ε C A 16

5 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Contact schottky : capacité Contact schottky : courant à travers la jonction à l équilibre Jonction polarisée positivement : V M V > 0 Barrière de potentiel = V - V Largeur de la ZCE : Charge dans la ZT : M ε W = V -V en ( ) Q + Q = 0 Q = en WA = A eε N ( V -V) Capacité de transition (dynamique) : dq dq eε 1 C = - (car <0) C = A N V -V dv dv ( ) Capa plan de surface A et d épaisseur w : ε A C = W V Absence de charges stockées par les minoritaires dans la ZCE pas de capacité de diffusion Fonctionnement hautes fréquences : diodes détectrices ou mélangeuses de signau C A 163 ( ) Φ m > Φ : type N Courant du au porteurs majoritaires : àl interface : émission thermoélectronique par dessus la barrière de potentiel et dans la ZCE : diffusion courant conservatif (ils sont identiques) Courant d émission thermoélectronique à l équilibre : ev * - kt J = ATe M * où A = 4 πem k h 3 n ZCE ev eφ m A* = constante de Richardson T = T en K V = potentiel de diffusion = barrière de potentiel côté ev = - e Φ V M -V =V>0 V=0 ev eφ b (V) (0) (V) (0) C A 164 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Contact schottky : courant à travers la jonction polarisée Contact schottky : courant à travers la jonction polarisée : théorie de la diffusion Φ m > Φ : type N Jonction polarisée positivement : V M V >0 Abaissement de la barrière de potentiel M : V V Barrière de potentiel M inchangée Courant d émission thermoélectronique jonction polarisée : V M -V =V>0 ev ( - V ) ev ev ev * kt kt * J = J - J = AT e - e = ATe kt e kt - 1 M M e V J = J ekt - 1 S AN : /Si : e Φ - = A* = ;N = 17-3 m e Φ 0.6eV T 300K ; A.cm.K 10 cm J S = A.cm - et W = 89nm Jonction PN Si J S = A.cm - et W > 100nm ev eφ b (V) (0) (V) (0) Φ m > Φ : type N Jonction polarisée positivement : V M V >0 Résolution de l équation de diffusion dans la ZCE (présence de gradient de concentration + champ électrique) j Courant de diffusion de la forme : dn = eµ n ( ) E ( ) + e d n n n e V ev J = J e - kt - 1 avec J e kt Sd Sd Epression identique à celle de la théorie d émission thermoélectronique Courant conservatif courant diffusion = courant thermoélectronique On les considère en série et égau : à l interface c est le courant thermoélectronique et dans la ZCE c est le courant de diffusion On devra appliquer une polarisation plus faible a courant constant Courant de fuite inverse plus élevé que pour une jonction PN C A 165 C A 166

6 Jonction -Semiconducteur Jonction -Semiconducteur Contact schottky : courant du à l effet tunnel Contact ohmique : Si fortement dopé (N > cm ) réduction de W et forte courbure des bandes à l interface ε W = V -V en ( ) Passage des e- dans les sens par effet tunnel E F M Δ qv Contact à résistance très faible Couche spéciale déposée sur le dispositif Surdopée N ++ (a) ou P ++ (b) selon le type de la couche sous-jacente Le courant tunnel est favorisé par rapport au courant thermoélectronique La résistance spécifique R C (en Ω cm ) est très faible. La résistance R du contact est inversement proportionnelle à la surface S de la métallisation R = R C S C A 167 C A 168 Jonction -Semiconducteur Jonction -solant-semiconducteur Contact ohmique : résistance spécifique sur Si-N Structure -Vide-Semiconducteur et -N reliés et connectés entre eu (vide entre les ) niveau de fermi s alignent Apparition d un potentiel de contact : V = Φ m - Φ champ électrique associé et ZCE Valeurs epérimentales de R C Contacts PtSi Si et Al Si Amplitude de ce champ et densité de charge d espace grands si : V élevé et distance entre M et faible Valeurs de dopage Entre et 10 0 cm -3. Semiconducteur dégénéré Si distance entre M et diminue apparition de charges à la surface côté métal et côté condensateur plan Courbure des bandes et nature de charge d espace varient selon type de et différence entre Φ m et Φ C A 169 C A 170

7 Jonction -solant-semiconducteur Jonction -solant-semiconducteur Structure -Vide-Semiconducteur vide ZCE vide Φ M < Φ ev eφ eφ eφ m E C EF Structure -solant-semiconducteur On remplace le vide par un : sur Si, le seul possible est le SiO MOS L (supposé parfait) est défini par son gap et son affinité électronique diagramme des bandes identiques à celui de la structure M-V- Φ M = Φ Hauteur de la barrière de potentiel à l équilibre : V = Φ m - Φ V < 0 : charge <0 et charge M >0 (fuite d e-) régime d accumulation vide V = 0 : aucune charge régime de bandes plates vide Si introduction d une polarisation V G, V = Φ m - Φ -V G solant parfait : pas de charge variation linéaire de V et des bandes ev eφ ev eφ Si V G = 0 on retrouve les diagrammes des bandes M-V- Si Φ m = Φ la polarisation V G va faire évoluer la structure d un régime d accumulation à un régime d inversion Φ M > Φ V > 0 : charge >0 et charge M <0 (accumulation d e-) régime de déplétion Φ M >> Φ V >> 0 : charge >>0 et charge M <0 (accumulation d e-) régime d inversion C A 171 Si Φ m = Φ le régime de bande plate obtenu pour V G = 0 Si Φ m Φ le régime de bande plate obtenu pour V G = Φ m - Φ = V FB (=tension bande plate) C A 17 Jonction -solant-semiconducteur Jonction -solant-semiconducteur Structure -solant-semiconducteur : tension V G appliquée sur M (Φ M = Φ ) Structure -solant-semiconducteur : tension V G appliquée sur M (Φ M = Φ ) type N type P -N -N -P -P V G > 0 : régime d accumulation V G = 0 : régime de bandes plates V G < 0 : régime d accumulation V G = 0 : régime de bandes plates -N -N -P -P V G < 0 : régime de déplétion V G << 0 : régime d inversion C A 173 V G > 0 : régime de déplétion V G >> 0 : régime d inversion C A 174

8 Jonction -solant-semiconducteur Jonction -solant-semiconducteur Structure t -solant-semiconducteur l t t idéale : charge d espace et capacité Structure t -solant-semiconducteur l t t idéale : charge d espace et capacité Application d un signal alternatif de faible amplitude sur V G : Q M charge côté et Q charge côté Régime d accumulation : Accumulation de t côté : Q > 0 Q Oyde -P Accumulation d e- côté M : Q M < 0 0 ΔQ M = -ΔQ et Q M = -Q ε Capacité plan : C O = Régime de déplétion ou désertion : o o indépendante de V G Q M ΔQ M t repoussés à l interface côté : Q < 0 Q Q = qn A d = C O V O Oyde ε Capacité zone de déplétion : C d = ΔQ totale : = + M d Ct CO Cd 0 Q Q ε ε ε V = V + V = + = V G O d G CO Cd CO CO qna VG = C C C qn ε d O O A C A 175 Q M C O C O d ΔQ Q Q C d -P ΔQ Régime d inversion : Charge côté : Q (= Q n + qn A dm )< 0 = e- libres attirés sous la surface + ions accepteurs A basse fréquence (T élevée) les e- minoritaires du -P peuvent atteindre la couche d inversion et la quitter suivant le signal : ΔQ M = -ΔQ n C BF = CO A haute fréquence (T faible) les e- minoritaires du -P ne peuvent pas suivre, seuls les majoritaires i (t) suivent le signal : ΔQ M = -ΔQ d ε Q C dm = dm = + C C C HF O dm ΔQ M Q M C = C BF Oyde C A 176 O 0 Q n ΔQ n C O -P dm C d Q d Jonction -solant-semiconducteur Jonction -solant-semiconducteur Structure t -solant-semiconducteur l t t idéale : capacité Structure t -solant-semiconducteur l t t idéale : tension de seuil V T accumulation C/C O nversion BF nversion BF C/C O accumulation Tension de bandes plates : À l équilibre : courbure des bandes à l interface pour égaliser les niveau de fermi Φ M < χ ev o ev sinv χ désertion désertion ev FB EC nversion HF nversion HF 0 V G 0 V G Tension de bande plate = tension VFB à appliquer sur le métal pour redresser les bandes à l horizontale : ev FB = eχ + ( ) Canal N Canal P Courbure des bandes translation de la caractéristique C(V G ) par rapport à l idéale AN : M-SiO -Si ( O = 50Å ; N A = cm -3 ; ε rsio = 3.9) εo C O = = F/cm o -7 Tension de seuil : V T = V o + V sinv + V FB C A 177 C A 178

9 Jonction -solant-semiconducteur Structure t MOS : application CC Charge Coupled evices : circuits à transfert de charges 1969 utilisé en traitement t du signal et imagerie i Basé sur le temps de stockage d 1 capacité MOS Temps de stockage d 1 capacité MOS : À t < 0 : structure en régime de bandes plates ou d accumulation A t = 0 : on applique V G > V T régime de déplétion (constante de temps de l ordre de 10-1 s) t > 0 : génération thermique de paires e-/t et la couche d inversion s affaiblit À t = τ s : couche d inversion, régime stationnaire τ s est le temps de stockage Naτ m τ avec τ m = durée de vie des porteurs s = n i Temps de stockage si durée de vie et dopage τ s de 1s à 1mn en fonction de la qualité du si C A 179

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