12ème leçon : Les Matériaux Semi-Conducteurs

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1 12ème leçon : Les Matériaux Semi-Conducteurs I. Les électrons dans la matière L'atome isolé Les électrons dans les solides II. Les Semi-Conducteurs Les Semi-Conducteurs intrinsèques Les Semi-Conducteurs dopés» Dopage N» Dopage P III. La jonction P-N 1

2 Les électrons dans la matière : Théorie sommaire Propriétés des électrons dans le vide : Charge : Masse : q e = C m e = kg Suivant le type d'expérience réalisée, l'électron peut être observé comme une particule (effet photoélectrique) une onde (fentes d'young) 2

3 Les électrons dans l'atome isolé L'atome : diamètre ~ 0.1 nm = 100 fm = 1 A = m électriquement neutre Constitué par : Le noyau : diamètre ~ 1 am = m charge q a > 0 Le nuage électronique : charge q = - q a < 0 3

4 Le modèle planétaire (Niels Bohr) Silicium 4

5 Modèle Ondulatoire de la matière (Louis De Broglie) 5

6 Probabilité de présence (Mécanique Quantique) + 6

7 L'atome est une boite de résonance quantique A chaque longueur d'onde correspond un niveau d'énergie 7

8 Représentation en niveaux d'énergie 0 Electrons Périphériques W e (ev) Electron libre (Atome ionisé) Etats excités Les électrons sont des fermions. Ils respectent le principe d'exclusion de Pauli : Chacun occupe seul un état quantique (énergie, spin) Electrons Profonds Etat Fondamental Pour bouger un fermion doit d'abord trouver une "case vide" 8

9 Le spin d'une particule Le spin est une variable quantique qui peut prendre 2 valeurs Il est représenté par une flèche montante ou descendante Il est assimilable à un moment cinétique de rotation 9

10 Les électrons dans les solides 10

11 11

12 12

13 Les bandes d'énergie des électrons dans les solides W e (ev) W e (ev) W e (ev) Bande de conduction Bande Interdite Bande de valence Bande Interdite Etats atomiques ou liés Atome Cristal Atome 13

14 W (ev) Le niveau de Fermi Isolant W (ev) Bande de conduction Conducteur W (ev) Bande de conduction Niveau de Fermi p(w) 1 W F Bande interdite (Gap) Bande de valence Electron libres Bande interdite Bande de valence 14

15 Corps purs : Les Semi-Conducteurs Silicium (Si) et Germanium (Ge) 4 électrons périphériques Alliages : GaAs GaAlAs InP HgCdTe... 15

16 Ionisation Recombinaison IUT Les Semi-Conducteurs Intrinsèques Corps très purs difficiles à obtenir dans un creuset. W G ~ 1 ev W (ev) W (ev) Bande de conduction Niveau de Fermi Bande interdite p(w) Bande de valence 1 16

17 Mouvement d'un trou 1 17

18 Mouvement d'un trou 2 18

19 Mouvement d'un trou 3 19

20 Mouvement d'un trou 4 20

21 Mouvement d'un trou : bilan 21

22 Les Semi-Conducteurs dopés N N D atomes "donneurs" sont dispersés dans le cristal. 22

23 Les bandes d'énergie dans un type N Le niveau de Fermi est augmenté W (ev) W (ev) Bande de conduction Niveau de Fermi Bande interdite 1 p(w) Bande de valence 23

24 Les Semi-Conducteurs dopés P NA atomes "accepteurs" sont dispersés dans le cristal

25 Les bandes d'énergie dans un type P Le niveau de Fermi est diminué W (ev) W (ev) Bande de conduction Bande interdite Niveau de Fermi p(w) Bande de valence 1 25

26 La jonction P-N Zone frontière entre une zone dopée P et une zone dopée N Wn (ev) Bande interdite Bande de conduction Bande de valence P Wp (ev) N Le niveau de Fermi est le même de part et d'autre de la jonction 26

27 Propriétés d'une jonction 1 La zone de déplétion est dépourvue de porteurs libres E P Trous libres N Zone déplétée p(x) Nombre de porteurs libres Electrons libres x 27

28 Propriétés d'une jonction 2 La zone de charges d'espace contient des ions liés au cristal Densité de charges r (x) d'espace x Potentiel électrique V(x) x Champ électrique E(x) 28

29 Propriétés d'une jonction 3 W e = q e U < 0 Potentiel électrique V(x) Bande interdite Energie des électrons Wn (ev) Energie de Fermi Wf Bande de conduction Bande de valence P Wp (ev) Energie des trous N 29