Physique des semi-conducteurs : Fondamentaux
Semi-conducteurs intrinsèques. 7. Semi-conducteurs extrinsèques. 10. La recherche sur les matériaux semi-conducteurs a commencée au début du 19ème siècle.
Chapitre 3
II.2.2 Semiconducteur intrinsèque. II.2.3 Semiconducteur fortement dopé (dégénéré). II.2.4 Semiconducteur dopé (ou extrinsèque). II.2.4.
Cours de Physique des Semi-conducteurs
Semi-conducteur pur ? intrinsèque dopé ? extrinsèque. ? Silicium assez pur + un atome de Bore ou de Phosphore pour 105 atomes de.
PHYSIQUE DES SEMI-CONDUCTEURS
Semi-conducteur extrinsèque : dopage. doivent être égaux et pour un semi-conducteur intrinsèque : ( ) ( ) g T r T n. E. kT i i i. G. = ?. ?. ?.
1.1 Introduction 1.2 Définition
Un semi-conducteur peut être soit intrinsèque (pur) ou extrinsèque (dopé) par des impuretés. ? Semi-conducteur intrinsèque : La résistivité du silicium pur
Introduction aux semi-conducteurs La jonction PN
Concentration intrinsèque de porteurs à l'équilibre thermodynamique : Semi-conducteur extrinsèque de type N (négatif = signe des porteurs de charge ...
Semi-conducteur extrinsèque
de la bande de valence) et donc la conductivité d'un semi-conducteur intrinsèque à température ambiante sont généralement trop faibles (cf.
page de g
Un semi-conducteur intrinsèque est un matériau de très haute pureté. Pour Mais des semi-conducteurs extrinsèques non dégénérés en modifiant la.
LA CONDUCTIVITE DANS LES CONDUCTEURS ET SEMI
Doc 4 : les semi-conducteurs. A. Le semi conducteur pur ou intrinsèque : (Ge Si) B. Le semi conducteur dopé ou extrinsèque : Dans un semi conducteur ...
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Semi-conducteur intrinsèque. I.3.3.2. Semi-conducteur extrinsèque. 1.3.4. Dopage. I.3.4.1. Chapitre I : Généralités sur les matériaux semi-conducteurs.
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Pour les semi-conducteurs extrinsèques la densité de dopant est toujours très supérieure à la densité de porteurs intrinsèques NA>>ni Dans le cas d'un type PÂ
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Semi-conducteur pur ? intrinsèque dopé ? extrinsèque ? Silicium assez pur + un atome de Bore ou de Phosphore pour 105 atomes de
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IV – Le semiconducteur extrinsèque Le dopage consiste à insérer dans le cristal des atomes : pentavalents (ayant 5 électrons périphériques)
[PDF] Introduction aux semi-conducteurs La jonction PN
Semi-conducteur intrinsèque (cristal pur) I – Matériaux semi-conducteurs Cristal de silicium : 4 e- de valence Si ? association avec 4 atomes voisinsÂ
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Un cristal semiconducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux d' atomes Le semiconducteur ainsi obtenu est appelé extrinsèque
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sont appelés les semi- conducteurs intrinsèques Ils sont caractérisés par une résistivité très supérieure à celle d'un bon conducteur et très
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Le S C intrinsèque ni ; le S C extrinsèque dopé n p Dans un semi-conducteur intrinsèque la concentration de porteurs libres est donnée par la
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de la bande de valence) et donc la conductivité d'un semi-conducteur intrinsèque à température ambiante sont généralement trop faibles (cf TD sur le semi-Â
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sa résistivité) auquel cas il est dit ?extrinsèque? Un semi-conducteur est dit intrinsèque lorsque le cristal n'est pas pollué (volontairement ou
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Un semi-conducteur peut être soit intrinsèque (pur) ou extrinsèque (dopé) par des impuretés ? Semi-conducteur intrinsèque : La résistivité du silicium purÂ
Quelle est la différence entre un semi-conducteur intrinsèque et extrinsèque ?
Un semi-conducteur extrinsèque est un semi-conducteur intrinsèque dopé par des impuretés spécifiques lui conférant des propriétés électriques adaptées aux applications électroniques (diodes, transistors, etc) et optoélectroniques (émetteurs et récepteurs de lumière, etc).Quels sont les différents types de semi-conducteurs ?
Les principaux semi-conducteurs sont le germanium (Ge), le silicium (Si), le sélénium (Se), les composés binaires : arséniure de gallium (GaAs), antimoniure d'indium (InSb), phosphure de gallium (GaP) et phosphure d'indium, ainsi que les composés ternaires et quaternaires.C'est quoi la concentration intrinsèque ?
La densité d'électrons (concentration par unité de volume) est notée n, celle des trous p. est la concentration intrinsèque. Tout dopage sert à modifier cet équilibre entre les électrons et les trous, pour favoriser la conduction électrique par l'un des deux types de porteurs. 1,45 × 1010 électrons/cm3 .- Conclure sur la nature électrique du matériau
On conclut sur la nature électrique du matériau en fonction de la valeur énergétique du gap ou de la bande interdite (BI) : Si E_{gap} =0 eV, alors le matériau est un conducteur. Si E_{gap} \\leqslant 1 eV, alors le matériau est un semi-conducteur.
CoursElectronique analogiqueIntroduction aux semi-conducteursLa jonction PN ISMIN 1A 2021-22J.-M. Dutertre,https://www.emse.fr/~dutertre/enseignement.htmlNe fait plus partie du cours d'électronique analogique 1A ISMINCes notions sont abordées dans d'autres cours de 1A
Introduction aux semi-conducteurs, la jonction PNI -Matériaux semi-conducteurs.1 -Introduction.Qu'est ce qu'un semi-conducteur ?Ni un conducteur, ni un isolant.Colonne IVA : Si, Ge.Association IIIA-VA : AsGa, etc.
3I -Matériaux semi-conducteurs2 -Modèle des bandes d'énergie.Atome de silicium : le noyau comporte 14 protons -nuage comportant 14 e-Répartition électronique : 1s22s22p63s23p2couche de valence : 4 e-14+--------------Les électrons évoluent sur des orbites stables correspondant à des niveaux d'énergie discrets(séparés les uns des autres).Energie (eV)Niveauxd'énergieélectroniqued'unatomeisolé:
4I -Matériaux semi-conducteursPrincipe d'exclusion de Pauli: deux électrons ne peuvent occuper le même état quantique.En conséquence, si deux atomes identiques sont approchés à une distance de l'ordre de leur rayon atomique les niveaux d'énergie se dédoublent.Dans le cas d'un cristal, la multiplication des niveaux crée des bandes d'énergie permise(quasi-continuum), séparées par des bandes d'énergie interdites(c.-à -d. ne contenant pas d'état stable possible pour les e-).Energie (eV)Niveauxd'énergieélectroniquede2atomesproches:Energie (eV)Niveauxd'énergieélectroniqued'uncristal:bandepermisebandeinterditeGapbandepermisebandepermiseBande de valence: contient les états électroniques des couches périphériques des atomes du cristal (c.-à -d. les e-de valence, 4 pour le Si)Bande de conduction: bande permise immédiatement supérieure en énergie à la bande de valence. Les e-y sont quasi-libres, ils ont rompus leur lien avec leur atome d'origine, ils permettent la conduction d'un courant.
53 -Comparaison isolants, conducteurs, et semi-conducteurs.I -Matériaux semi-conducteursClassification en fonction de leur résistivité r[W.m]Isolant :r> 106W.mConducteurs :r< 10-6W.mSemi-conducteur :intermédiaireSemi-conducteurEg~ 1 eVIsolantEg~ qqs eVConducteurEg~ 0 eV
ae s l R.rEnergie (eV)EgconductionvalenceEnergie (eV)EgconductionvalenceEnergie (eV)conductionvalence300°KSiGeAsGaEg[eV]1,120,661,43
64 -Le silicium.a. Semi-conducteur intrinsèque (cristal pur).I -Matériaux semi-conducteursCristal de silicium : 4 e-de valenceSi®association avec 4 atomes voisins pour obtenir 8 e-sur la couche de valence (règle de l'octet, la couche de valence est saturée) :SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiliaison covalenteStructure de la maille cristalline : cubique face centrée
7I -Matériaux semi-conducteursCréation de paires électrons -trous®sous l'action d'un apport d'énergie thermique (par exemple)Energie (eV)Egb. conductionb. valenceSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiLe bandgapEgreprésente l'énergie minimale nécessaire pour rompre la liaison.Déplacement des e-libres ®courant
8Déplacement des trous : de proche en proche ®courant (de charges +)I -Matériaux semi-conducteursSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiDans un semi-conducteur il existe 2 types de porteurs de charges: •des porteurs négatifs : les électrons de la bande de conduction,•et des porteurs positifs : les trous de la bande de valence.Le phénomène de création de paires e--trous s'accompagne d'un phénomène de recombinaison (les e-libres sont capturés par les trous, ils redeviennent e-de valence)Durée de vie d'un porteur = temps séparant la recombinaison de la génération.
9Le cristal est électriquement neutre :
i npn==I -Matériaux semi-conducteursConcentration intrinsèque de porteurs à l'équilibre thermodynamique :Acste spécifique au matériau [cm-3/K3/2]Egbandgap[J]k= 1,38.10-23J/KTtempérature [K]Loi d'action de masse :
2 giETnpn=
elle est toujoursvérifiée pour un cristal à l'équilibre thermique (qu'il soit intrinsèque ou non).
31010.4,1
@cmn i300°K, Si :í µ!=í µ.í µ"/$.í µí µí µ-í µ%2í µí µ[í µí µ&"]
10I -Matériaux semi-conducteursPhénomène de transport de charges : •courant de conduction créé sous l'action d'un champ électrique,•courant de diffusion créé par un gradient de concentration de porteurs.®densité de courant [A/cm2] :VT= kT/q =26 mV à 300°K, potentiel thermodynamique [V]
ngradVqEnqJ Tnnn pgradVqEpqJ Tppp µn,pmobilité [cm2/V.s]Pour le Siµn = 1400 cm2/V.s, µp = 500 cm2/V.s11I -Matériaux semi-conducteursIntérêt des semi-conducteurs: possibilité de contrôler la quantité de porteurs de charges libres (e-et trous) et par conséquent la résistivité.Comment ? ®dopage, radiations, température, injection de courant, etc.b. Semi-conducteur extrinsèque de type N (négatif = signe des porteurs de charge majoritaires).Obtenuspardopage=introductiond'atomesdugroupeV(cf.classificationpériodique,5e-surlacouchedevalence)enlieuetplaced'atomesdeSi,généralementduphosphorePoudel'arsenicAs.®libérationd'une-libre,les4autresseliantauxatomesdeSivoisins(atomedonneur):SiSiSiSiSiSiAs+SiSiSiSiSi-Energie (eV)b. conductionb. valenceEDAs+ : cation fixe
12I -Matériaux semi-conducteursLe cristal garde sa neutralité électrique globale (à chaque électron libre donnépar les atomes d'impureté correspond un cation fixe).Porteurs de charges :•majoritaires : e-tqn ≈ ND , concentration du dopage,•minoritaires : trous issus de la générations thermique de paires e--trous tel que :
Di Nnp/ 213I -Matériaux semi-conducteursc. Semi-conducteur extrinsèque de type P (positif = signe des porteurs majoritaires).Obtenuspardopage=introductiond'atomesdugroupeIII(cf.classificationpériodique,3e-surlacouchedevalence)enlieuetplaced'atomesdeSi,généralementduboreBoudugalliumGa.®seulestroisliaisonscovalentespeuventêtrecréées,la4èmeresteincomplète,untrouestcréépourchaqueatomededopage.Ilvapouvoirêtrecombléparune-d'uneliaisoncovalenteproche(atomeaccepteur).Energie (eV)b. conductionb. valenceEAB-: anion fixe+SiSiSiSiSiSiBSiB-SiSiSi
14I -Matériaux semi-conducteursLe cristal garde sa neutralité électrique globale (pour chaque électron libre acceptépar les atomes d'impureté créant un anion fixe, un trou est créé).Porteurs de charges :•majoritaires : trous tq p ≈ NA , concentration de dopage,•minoritaires : e-issus de la générations thermique de paires e--trous tq
Ai Nnn/ 2d. Phénomènes de génération et de recombinaison.®génération sous l'effet d'apport d'énergie thermique, photonique, d'un champ électrique, de radiations ionisantes, etc.Energie (eV)b. conductionb. valenceEnergie (eV)b. conductionb. valencehnhn
5 -La jonction PN.I -Matériaux semi-conducteursUnsemi-conducteurseul(NouP)présentepeud'intérêt,c'estl'associationdeplusieursSCdopésquipermetdecréerlescomposantssemi-conducteurs.Leplussimpled'entreeuxestlajonctionPN(oudiode),ilpermetenoutred'appréhenderlefonctionnementdestransistors.a. Jonction PN non polarisée, à l'équilibre.ionfixetroumobilepairee--trouminoritaireionfixee-mobilepairee--trouminoritaireSemi-conducteurPSemi-conducteurNmajoritairemajoritaireQuesepasse-t-ilsil'onmetencontactuns.-c.detypePavecuns.-c.detypeNpourréaliserunejonctionPN?(!Attention!c'estsimplementunevuedel'esprit,cen'estpasainsiquel'onprocède)
16I -Matériaux semi-conducteursConsidérantlajonctiondanssonensemble,ilexisteungradientdeporteursdecharges:®créationd'uncourantdediffusion:•destrousmobilesdus.-c.Pversles.-c.N,aumomentdeleurentréedanslazoneNcontenantdese-majoritaireslestrousserecombinentaveclese-,•dese-mobilesdus.-c.Nversles.-c.P,aumomentdeleurentréedanslazonePcontenantdestrousmajoritaireslese-serecombinentaveclestrous.Chaquetrou(resp.e-)majoritairequittantles.-c.P(N)laissederrièreluiunanion(cation)fixeetentraînel'apparitiond'uncation(anion)fixedansles.-c.N(P)dufaitdesarecombinaisonavecune-(trou).Cesionssontlocalisésà proximitédelazonedecontactentrelesdeuxs.-c.(lazonedecharged'espace,ZCE),ilssontà l'originedelacréationd'unchampélectriquequis'opposeaucourantdediffusion.Cechampélectriqueestéquivalentà unedifférencedepotentielappeléebarrièredepotentiel(V0=0,7Vpourlesilicium,0,3Vpourlegermanium).Unétatd'équilibreestatteint,pourlequel:•seulsqqsporteursmajoritairesontuneénergiesuffisantepourfranchirlaZCEetcontribueraucourantdediffusionID,ilestcompensépar,•uncourantdesaturationinverse,Is,crééparlesporteursminoritaireslorsqu'ilssontcapturésparlechampélectriquedelaZCE.
17I -Matériaux semi-conducteurszoneneutreJonction PN non polarisée, à l'équilibre :s.-cPzoneneutres.-cNzone de charge d'espace
EEnergie (eV)b. conductionb. valence
0 qV- V0:barrièredepotentieltelleque:ZCE = zone de déplétion = zone désertée D I s I ae 2 0 ln. i DA n NN q kT V ae kT eV II s 0 0 exp.18I -Matériaux semi-conducteursb. Jonction PN polarisée en direct.PNVPN> 0RIPN
EEnergie (eV)b. conductionb. valence
PN VVq-- 019I -Matériaux semi-conducteursOnétablit:
-=1. T PN V V sPN eIIOnretiendraquelecouranttraversefacilementunediodepolariséeendirect(VPN>V0)Résistance dynamique d'une jonction polarisée en direct :Valim=Valim+dVÞIPN=IPN+dIOnobtient:
PN T I V dI dV r==20Charge stockée dans une jonction polarisée en direct :I -Matériaux semi-conducteursNonpolarisé:Polarisationdirecte:Avant de bloquer une jonction PN polarisée en directe il faut évacuer ces charges en excès par rapport à la situation d'équilibre ®courant inverse transitoire (cf. temps de recouvrement dans la suite du cours).
21I -Matériaux semi-conducteurs
EEnergie (eV)b. conductionb. valence
lim0a VVq+-c. Jonction PN polarisée en inverse.PNVPN= -Valim< 0RIPN ≈ 0Valim®augmentationdelabarrièredepotentielélargissementdelaZCEetintensificationduchampélectrique
22I -Matériaux semi-conducteursClaquage :Tensiondeclaquage=tensioninverselimitesupportableau-delà delaquelleapparaitlephénomèned'avalanche.Sousl'effetd'unetensioninverseélevéelesporteursminoritairessontaccélérésetacquièrentsuffisammentd'énergiepourarracherà leurtourd'autree-devalencelorsdeschocs.Uneréactionenchaineapparait.®lecourantinversedevienttrèsimportant(claquage).®lecourantdediffusion(porteursmajoritaires)estquasi-nul.®seulsubsisteuncourantinversetrèsfaible,IPN=-Is,deporteursminoritaires.
23I -Matériaux semi-conducteursd. Influence de la température.•SurIs:courantdûauxporteursminoritairescrééspargénérationthermique,ilaugmenterapidementavecT°®pourleSiildoubletoutles7°C.•SurV0labarrièredepotentiel:pourleSiautourde300°Kelledécroitde2mVpouruneaugmentationde1°C.
°-=/2
0 mV dT dV24I -Matériaux semi-conducteurs6 -La diode à jonction PN.PNAKanode"k"athodeVAKIAK
quotesdbs_dbs28.pdfusesText_34[PDF] diagonale d'un carré de 3m
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