SEMICONDUCTEURS M1 Phytem- E. Deleporte 2005/2006 PLAN DU COURS: I) Propriétés des semiconducteurs massifs 1) Introduction 2) Généralités a) Semiconducteurs à gap direct / gap indirect b) Masse effective des électrons c) Densité d états électroniques d) Probabilité d occupation des états électroniques e) Notion de trou 3) Semiconducteur à l équilibre thermodynamique (voir TD 1) a) Détermination des densité de porteurs (n pour les électrons, p pour les trous) et du potentiel chimique (m) b) Semiconducteur intrinsèque - définition - Etude de n, p et m en fonction de la température c) Semiconducteur extrinsèque - définition - Etude de n, p et m en fonction de la température 4) Semiconducteur hors d équilibre a) Semiconducteur soumis à un champ électrique statique mobilité conductivité b) Semiconducteur soumis à un champ électrique alternatif: courant de déplacement c) Gradient de concentration: courant de diffusion d) Relation d Einstein e) Durée de vie des porteurs 5) Coefficient d absorption de semiconducteurs massifs (voir TD 2) II) Jonction PN 1) Courant de diffusion 2) Jonction PN abrupte à l équilibre thermodynamique a) Jonction abrupte b) Charge d espace c) Tension de diffusion d) Potentiel et champ électriques e) Largeur de la zone de charge d espace 3) Jonction PN abrupte polarisée a) Principe de fonctionnement en régime de faible injection: courant direct, courant inverse b) Distribution des porteurs minoritaires dans les régions neutres c) Courant de porteurs minoritaires d) Caractéristique: loi de Schokley e) Courant de porteurs majoritaires
TRAVAUX DIRIGES: TD 1: Semiconducteurs à l équilibre thermodynamique Calcul des densités d électrons et de trous, et du potentiel chimique dans un semiconducteur intrinsèque dans un semiconducteur extrinsèque TD 2: Coefficient d absorption de semiconducteurs massifs Règle d Or de fermi Règles de sélection Calcul du coefficient d absorption BIBLIOGRAPHIE : Ouvrages destinés aux étudiants de maîtrise : B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer, B. Roulet : «Physique statistique» B. Sapoval, C. Hermann : «Physique des semiconducteurs», cours de l Ecole Polytechnique, Ellipses C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë : «Mécanique Quantique» Ouvrages plus avancés : Henri Mathieu : «Physique des semiconducteurs et des composants électroniques», Dunod G. Bastard : «Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures», CNRS Editions
I-1) Différents types de matériaux, classés en fonction de la concentration en électrons de conduction
Résistivité du Germanium pour différentes concentrations en impuretés
Rappels : A température nulle Métal Isolant
Rappels : Remplissage des bandes à T=0 E E Trait vert: densité d états Trait bleu: distribution de Fermi-Dirac Zone hachurée: états occupés Métal Isolant
Rappels : Remplissage des bandes à T 0 E E E Trait vert: densité d états Trait bleu: distribution de Fermi-Dirac Zone hachurée: états occupés Métal Semiconducteur Isolant
I-2-a) STRUCTURE DE BANDES Gap direct Gap indirect
I-2-b) QUELQUES VALEURS Masses effectives Mobilités
I-2-c) METAUX / ISOLANTS Métaux Isolants
I-2-d) Fonction de Fermi-Dirac m: potentiel chimique
I-2-e)
I-3-a) Densités d électrons et de trous à l équilibre thermodynamique + n( E) = f(e)n c ( E), n = f(e)n c p( E) = f( E)N v E Ú E c E v ( ), p = f(e)n v Ú - ( E) ( E) f(e) : probabilité d occupation des états électroniques N c (E), N v (E) : densités d états dans la bande de conduction et de valence respectivement
I-3-c) SEMICONDUCTEURS EXTRINSEQUES Donneurs Atome de Phosphore dans un réseau de Si (chaque point noir représente un électron). Dans la structure de bandes, le niveau donneur est situé en-dessous de la bande de conduction Accepteurs Atome de Bore dans un réseau de Si (chaque point noir représente un électron). Dans la structure de bandes, le niveau acepteur est situé au-dessus de la bande de valence
I-3-c) Allure de variation de porteurs libres avec la température dans un semiconducteur dopé n Allure de variation du niveau de Fermi avec la température dans un semiconducteur de type n avec N v >N c
I-4-a) Mobilité en fonction de T
Conductivité : s(t) = n(t)em n (T) n(t) m n (T)
I-4-e)
II-2-b) Charge d espace
II-2-c) Niveaux d énergie dans 2 cristaux de type n et p éloignés Les zones hachurées indiquent les états électroniques remplis, les ronds noirs représentent les électrons et les ronds blancs les trous.
II-2-d) Jonction PN à l équilibre thermodynamique Profil de dopage Charge d espace Charge d espace pour une jonction abrupte Potentiel Bandes d énergie Champ électrique
II-3-a) Profils de bandes pour une jonction p-n polarisée
II-3-d) Caractéristique courant/tension
Loi de Schockley
Effet de claquage