Semi Conducteur [PDF]

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COURS DE SOUTIEN AUX TPs – PHYTEM COMPOSANTS ELECTRONIQUES A BASE DE SEMICONDUCTEURS E. DELEPORTE (7 cours de 2 heures)

PLAN DU COURS CHAPITRE I!: Etats quantiques de l’électron dans un solide cristallin!: structure de bandes 1) Discussion qualitative à partir du système à 2 niveaux 2) Modèle de la chaîne linéaire de N atomes!: introduction de la relation de dispersion et des fonctions de Bloch 3) Métaux, isolants, semiconducteurs (remplissage des bandes, énergie de gap) 4) Introduction à la masse effective

CHAPITRE II!: Semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques 1) Semiconducteurs intrinsèques. Densité de porteurs à l’équilibre thermodynamique 2) Semiconducteurs extrinsèques!: donneurs/accepteurs, densité de porteurs à l’équilibre thermodynamique (définition des régimes extrinsèque, de saturation, intrinsèque)

CHAPITRE III!: Propriétés de transport dans les semiconducteurs 1) En l’absence de champ magnétique. Mobilité, conduction électrique (modèle de Drude) dans un semiconducteur intrinsèque et dans un semiconducteur extrinsèque 2) En présence de champ magnétique!: magnétorésistance et effet Hall, dans un semiconducteur intrinsèque et dans un semiconducteur extrinsèque a) Un seul type de porteurs b) Deux types de porteurs

CHAPITRE IV!: Jonction p-n 1) A l’équilibre thermodynamique!: zone de charge d’espace 2) Hors d’équilibre, sous polarisation directe et sous polarisation inverse!: caractéristique de la diode (loi de Schockley) 3) Diverses propriétés: - capacité de la jonction - effet de claquage (Zener, avalance) - temps de recouvrement 4) Photodiode!: principe de fonctionnement

CHAPITRE V!: Opto-électronique 1) Ordres de grandeurs concernant les principaux composants optoélectroniques et leurs applications!(capteurs, émetteurs de lumière, disques optiques, fibres optiques)!; définition des besoins (élaboration du cahier des charges dans chaque type d’application envisagée) 2) Interaction electron/photon dans un semiconducteur (absorption fondamentale, émssion spontanée, émission stimulée) 3) Photodiode!: - rappels sur le principe de fonctionnement - rendement - fréquence de coupure - optimisation du composant (photodiodes rapides pin) 4) Cellules solaires!: - Principe de fonctionnement - rendement - optimisation du composant 5) Diode électroluminescente - Principe de fonctionnement - rendement - fréquence de coupure - brillance - optimisation du composant - couplage à une fibre optique (introduction de l’ouverture numérique d’une fibre) 6) Diode laser - Principe de focntionnement - gain - distribution spectrale du rayonnement (mode, écart entre les modes) - distribution spatiale du rayonnement - courant de seuil - fréquence de coupure - optimisation du composant - comparaison avec les lasers conventionnels

CHAPITRE VI!: Caméra CCD 1) Principe de la capacité MOS, stockage des charges 2) Principe du transfert de charges

BIBLIOGRAPHIE

• Henry Mathieu!: Physique des semiconducteurs et des composants électroniques 2ème cycle, écoles d’ingénieurs, chez Dunod • Henry Mathieu, Thierry Bretagnon, Pierre Lefebvre!: Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, problèmes résolus 2ème et 3ème cycles, écoles d’ingénieurs chez Dunod • Sextant!: Optique expérimentale chez Hermann • C. Hermann, B. Sapoval!: Physique des semiconducteurs Cours de l’Ecole Polytechnique Chez Ellipses • C!. Cohen-Tanoudji, F!. Laloé, B. Diu!: Mécanique Quantique • Didier Dangoisse, Daniel Hennequin, Véronique Zehnlé-Dhaoui!: Les lasers, cours et exercices corrigés 2ème cycle, écoles d’ingénieurs chez Dunod

TRANSPARENTS

CHAPITRE I ETATS QUANTIQUES DE L’ELECTRON DANS UN SOLIDE CRISTALLIN!: STRUCTURE DE BANDES

Tableau périodique des éléments

I-1) Discussion qualitative

Système à 2 niveaux

Variation spatiale du potentiel auquel est soumis l’électron.

La levée de dégénérescence du niveau fondamental se traduit par l’apparition de deux niveaux d’énergie distincts

I-2) Chaîne linéaire de N atomes

Variation spatiale du potentiel auquel est soumis l’électron.

La levée de dégénérescence se traduit par l’apparition de bandes d’énergie

I-3) Métaux, isolants, semiconducteurs A température nulle

Métal

Isolant

I-3) Métaux, isolants, semiconducteurs Fonction de Fermi-Dirac

m: potentiel chimique

I-3) Métaux, isolants, semiconducteurs 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

I-3) Métaux, isolants, semiconducteurs 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

CHAPITRE II SEMICONDUCTEURS INTRINSEQUES ET EXTRINSEQUES

II-2) Semiconducteurs extrinsèques 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

II-2) Semiconducteurs extrinsèques Variation du nombre de porteurs dans un semiconducteur de type n en fonction de la température

CHAPITRE III PROPRIETES DE TRANSPORT DANS LES SEMICONDUCTEURS

III- 1) En l’absence de champ magnétique

Résistivité

III-2) En présence de champ magnétique

Effet Hall

CHAPITRE IV JONCTION P-N

IV-1) A l’quilibre thermodynamique 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.

IV-1) A l’équilibre thermodynamique Charge d’espace

IV-1) A l’équilibre thermodynamique RECAPITULATIF

Profil de dopage

Charge d’espace

Charge d’espace pour une jonction abrupte

Potentiel

Bandes d’énergie

Champ électrique

IV-2) Hors d’équilibre Profils de bandes pour une jonction p-n polarisée

IV-2) Hors d’équilibre Caractéristique courant/tension

IV-2) Hors d’équilibre Loi de Schockley

IV-3) Diverses propriétés Effet de claquage

IV-3) Diverses propriétés Réponse d’une jonction p-n aux transitoires

IV-4) Photodiode Principe de fonctionnement

CHAPITRE V OPTO-ELECTRONIQUE

V-1) Ordres de grandeur

V-1) Ordres de grandeur Spectre de transparence des fibres optiques

V-3) Photodiode Principe de fonctionnement

V-3) Photodiode Optimisation du composant Diodes rapides: photodiode p-i-n

V-4) Cellule solaire Principe de fonctionnement

V-4) Cellule solaire Optimisation: cellules solaires multicolores

V-5) Diode électroluminescente

Diagramme énergétique d’une jonction p-n Principe de fonctionnement

V-5) Diode électroluminescente

Schéma du composant diode électroluminescente Principe de fonctionnement

V-5) Diode électroluminescente Spectre d’émission de différents alliages

V-5) Diode électroluminescente

Brillance (distribution spatiale de l’émission)

Loi de Lambert : B= B0cosa

V-5) Diode électroluminescente Optimisation du composant: encapsulage

V-5) Diode électroluminescente Optimisation du composant

V-6) Diode laser Principe de l’inversion de population

Laser à 4 niveaux

Dans les semiconducteurs, bandes d’énergie

V-6) Diode laser

Principe de fonctionnement

V-6) Diode laser Phénomène de réabsorption

V-6) Diode laser

Spectre de l’émission spontanée/spectre de l’émission stimulée

I (arb. Units)

Emission spontanée

Emission stimulée

E-Eg

V-6) Diode laser Distribution spectrale du gain et des pertes

V-6) Diode laser

Distribution spectrale du rayonnement, modes

V-6) Diode laser Distribution spatiale de l’émission

V-6) Diode laser Courant de seuil

V-6) Diode laser Optimisation de la structure: laser à hétérojonction

CHAPITRE VI CAMERA CCD

PRI!NCIPE DE LA CAPACITE MIS (Métal-Isolant-Semiconducteur)

MECANISME DU TRANSFERT DE CHARGE

REPRESENTATION SCHEMATIQUE D’UN CAPTEUR CCD