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Semiconducteurs

Semiconducteurs. Propriétés – Jonction p-n. Historique. http://www.pbs.org/transistor/index.html. Liaisons dans les solides. Solides cristallins Solide = arrangement périodique d’atomes Réseaux cristallins: minéralogie 1912 (Laue): diffraction des rayons X Liaison métallique

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Semiconducteurs

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Presentation Transcript

  1. Semiconducteurs Propriétés – Jonction p-n

  2. Historique http://www.pbs.org/transistor/index.html

  3. Liaisons dans les solides • Solides cristallins • Solide = arrangement périodique d’atomes • Réseaux cristallins: minéralogie • 1912 (Laue): diffraction des rayons X • Liaison métallique • Ions positifs • Gaz d’électrons libres entre les ions • annule la répulsion entre les ions • grande mobilité  haute conductivité électrique Max von Laue 1879-1960

  4. Liaisons dans les solides (2) • Liaison ionique (ex. NaCl) • Atomes complètement ionisés • Na donne un e- à Cl •  Na+, Cl- • Cohésion: électrostatique • Très peu d’ e- libres: conductivité très basse • Laison covalente • 2 atomes voisins mettent 2 électrons en commun • But: 8 e- sur la dernière couche

  5. Structure du silicium • Structure diamant • 2 x cubique à faces centrées (fcc) • Chaque atome: 4 voisins • Tétraèdre • 4 Liaisons • Chaque atome donne 1 e- • 2 e- par liaison • Paramètre de maille: a

  6. Semiconducteurs III-V • Structure cristalline • 1 réseau: atomes du groupe III • Ga, Al, In • 1 réseau: atomes du groupe V • N, P, As, Sb • Structure: zinc-blende • Ex. GaAs, AlAs, InAs, InP, GaN • 4 liaisons • Atome du groupe III: 3/4 d’e- • Atome du groupe V: 5/4 d’e- Total: 2 e- • Composés ternaires • 2 types d’atomes du groupe III (Ga1-xAlxAs, GaInP, …)

  7. Bande interdite (gap) • Écart minimum entre • bande de valence • bande de conduction • Gap • Direct (même ) • Indirect ( différents)

  8. Création de paires électron-trou • Si T > 0 • e- passent de la bv à la bc • Apparition d’e- libres (conduction) • Apparition de trous dans la bv • Concentrations • n (e- / cm3) = p (trous / cm3) = ni • paire électron-trou (semiconducteur intrinsèque)

  9. Nombre de paires • Création • favorisée par la température • Recombinaison • libération d’énergie en • chaleur • émission de photons • fonction de • température • nombre de paires • Nombre total

  10. Conductivité des semiconducteurs • Sous l’effet de E • déplacement des e- dansle sens opposé à E • déplacement des trous dans la direction de E • Vitesse de dérive • Densité de courant

  11. Semiconducteurs extrinsèques - dopés n • Eléments du groupe V • As, Sb, P • 5 électrons de valence • 1 e- excédentaire conduction • Dopage = introduction dedonneurs • 1014 – 1019 atomes/cm3 • petit par rapport au Si (1022) • grand par rapport à ni • Conduction majoritaire: par les e-

  12. Semiconducteurs extrinsèques - dopés p • Eléments du groupe III • B, In, Ga • 3 électrons de valence • 1 e- manquant trou excédentaire • Dopage = introduction d’accepteurs • 1014 – 1019 atomes/cm3 • Conduction majoritaire: par les trous

  13. Conductivité des semiconducteurs dopés • A très basse température • impuretés non ionisées • conductivité << • -273  - 100°C • ionisation rapide des impuretés(énergie  meV) • augmente • -100  +150°C • conductivité de type métallique • > 150°C • création de paires e- - trous (mode intrinsèque)

  14. Résistivité en fonction du dopage • A T° ambiante, toutes les impuretés ionisées • En pratique • n ~ 1014 – 1019 cm-3 • Si intrinsèque rare  s proportionnelle à n

  15. Jonction p-n à l’équilibre • Jonction • Na = concentration d’accepteurs dans p • Nd = concentration de donneurs dans n • Concentrations de charges • chaque partie est électriquement neutre  Porteurs majoritaires  Porteurs minoritaires

  16. Mise en contact • Diffusion • e- de n vers p • trous de p vers n • courant de porteurs majoritaires: I1 • Equilibre des charges rompu • recombinaison des e- et des trous • charges des ions plus compensées • zone de déplétion • pas de charge libre • champ

  17. Mise en contact (2) • Champ E grandit • freine la diffusion • nouvel équilibre atteint • Porteurs minoritaires (des paires e- - trou) • sont accélérés par E • nouveau courant I2: courant de dérive(de n vers p) • principalement fonction du nombre de porteurs • fonction de la T° • Equilibre • I1 = - I2

  18. Potentiel de diffusion V0: barrière de potentiel Energie potentielle des e- Ep = -eV Potentiel à l’équilibre

  19. Polarisation de la jonction

  20. Diode: courbe I / V • Diode • Convention • V positif si + sur anodeet – sur cathode • I positif si passe de cathode vers l’anode par l’extérieur • Equation caractéristique

  21. Photodétecteurs Principes - Applications

  22. Photodiode p-n • Principe • jonction p-n polarisée dans le sens bloquant • couche supérieure mince  jonction exposée à la lumière • Action des photons • création de paires e- - trous si E > Eg

  23. Courant inverse • Paires dans la zone de déplétion • e- accélérés vers zone n • trous accélérés vers p • courant inverse augmenteproportionnellement au nombre de photons • Paires dans la zone p (ou n) • e- et trous diffusent aléatoirement • la plupart se recombinent • éventuellement, la diffusion lesamènent vers la zone de déplétion • problème: retard

  24. Temps de réponse • Paires e--trou créées dans la zone de charge d’espace • très rapidement accélérées • réponse quasi-immédiate • Zone très mince • beaucoup de paires crééesen-dehors • beaucoup de retard • temps de réponse long (µs)

  25. Photodiodes PIN • Principe • augmenter l’épaisseur de lazone de charge d’espace • intercaler une couche desemiconducteur intrinsèque • transfert rapide des charges • temps de réponse court (ns)

  26. Calcul du temps de réponse • Mouvement des charges dans la zone intrinsèque • d = 15 µm • µp (trous): 350 cm2/ V.s • µn (e-): 1500 cm2/ V.s • Vitesse de dérive (des trous)

  27. Capacité de jonction • Accumulation de charges • + du côté n • - du côté p • équivalent à un C de qques pf • Schéma équivalent • Cd en // sur diode • réduit le courant externe, d’un facteur si

  28. Réponse spectrale • Sensibilité • Dépend de l • augmente avec l (plus de photons par watt) • limite: l < hc / Eg • visible, IR proche: Si • IR: InGaAs • mais: courant noir ~

  29. Photodiode à avalanche • Principe • très grand champ  charges peuvent créer des paires e- - trou • V extérieur très élevé (500 V) • Solution: séparer • zone d’absorption (p épaisse) • zone de multiplication (p mince)- champ avec V faible • Caractéristiques • sensibilité >> diode PIN • réponse: 100 ps

  30. i + p R n - Cellule photovoltaïque • Principe • photodiode ordinaire • pas de polarisation • V = V0 0,5 V (Si) • Utilisation

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