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Jonction p-n

IV. La jonction p-n

Caractéristiques de base

A l'équilibre

Zone de charge d'espace

caractéristiques courant-tension

Champ de claquage

Hétérojonction

Chapitre 5

Science et génie des matériaux, Romuald Houdré - 2006 /2007 1

Plan du cours

1. Introduction

- Caractéristiques physiques des semiconducteurs - Quels Matériaux pour quel type d'applications

2. Propriétés électroniques des semiconducteurs

- Structure de bandes - Statistiques d'occupation des bandes - Propriétés de transport - Processus de recombinaison

3. Jonctions et interfaces

- Jonctions métal/semi-conducteurs - Jonction p-n à l'équilibre, Jonction p-n hors-équilibre

4. Composants électroniques

- Transistors bipolaires - Transistors à effet de champ - Dispositifs quantiques - Nouveaux matériaux

5. Composants optoélectroniques

- Détecteurs - Diodes électroluminescentes - Diodes lasers - Lasers à émission par la surface - Lasers à cascade quantique 1/3 bases1/3 transport1/3 optique 2

Circuits microélectroniques

3

La jonction p-n

Une jonction p-n correspond à la juxtaposition de deux matériaux identiques ou non de type p et de type n Type nType p V

Une jonction p-n est une diode

4

La jonction p-n

Applications• Transistors bipolaires

• Diodes électroluminescentes • Diodes laser • Cellules solaires • Détecteurs 5

Substrat type n

Fabrication

Pendant la croissance

Si + donneurs

Si + accepteurs

Image SEM d'une jonction p-n

6

Fabrication

Par implantation ou diffusion

7

Jonction p-n fabrication

8

Fabrication

Composant final

9

La jonction p-n

Type n Type p 10

Diagramme de bande

• A l'équilibre

Type p

Type n

E V E C Gradients de concentration il existe un courant de diffusion J diff Les impuretés ne sont plus compensées un champ électrique se forme J cond

Les deux courants sont de signe opposé

11

Diagramme de bande

• A l'équilibre 12

Diagramme de bande

• A l'équilibre (pas d'excitation externe)

Le niveau de Fermi doit être constant

J n n grad V F or grad V F = 0 d'où J n = 0 (idem pour J p J = J dérive + J diffusion = 0Equation générale des courants

Il n'y a pas de courant dans la jonction

Le courant de dérive compense exactement le courant de diffusion 13

Zone de charge d'espace

La zone de charge d'espace ou zone de déplétion

Charges fixesCharges mobiles

14

Diagramme de bande

• A l'équilibre (pas d'excitation externe) Cette barrière de potentiel est la conséquence directe de l'apparition de zones chargées positivement et négativement sous l'effet de la diffusion des porteurs. C'est ce qui conduit à l'équilibreavec (nN D et pN A

Calcul de la hauteur de barrière de potentiel

En considérant que toutes les impuretés sont ionisées, nous obtenons (built-in potential) qV bi =E g k B TlnN v N c N A N D qV bi = E G -(E C - E F n - (E F - E V p 15 Zone de char g e d'es p ace ZCE

Approximation d'une jonction abrupte

-x p x n N D - N A

Type pType n

Calcul du champ électrique dans ZCE

Neutralité électrique: x

p N A = x n N D

Extension de la ZCE: W = x

p + x n nDp A xxpourNqdxdxxpourNqdxd 00 2222
16

Zone de charge d'espace

Cas d'une jonction abrupte

-x p xn N D - N A

Type pType n

-E max E V bi =E(x)dx x p x n =qN A (x+x p )dx x p 0 +qN D (xx n )dx 0x n =qN A x p2 2 +qN D x n2 2 =E max x p 2 +E max x n 2 =1 2 E max W

Extension de la zone de charge d'espace

W=2 q N A +N D N A N D V bi 17

Exemple: Silicium Type n: N

D =10 18 cm -3 et p=n i2 /N D =10 2 cm -3

Type p: N

A =10 16 cm -3 et n=n i2 /N A =10 4 cm -3 N c =2.7x10 19 cm -3 et N v =1.1x10 19 cm -3

On trouve:

qV bi = 0.84 eV

W = 334 nm

Zone de charge d'espace

0 r 0 =8.85x10 -12 F/m R = 11.9 q = 1.6x10 -19 C E max =5x10 4 V/cm W=2 q N A +N D N A N D V bi qV bi =E g k B TlnN v N c N A N D 18

En pratique N

D >>N A d'où et x p = WLa zone de charge d'espace est principalement du côté le moins dopé (333 nm)

Zone de charge d'espace

W = x n +x p et x n N D =x p N A

D'où

x n = N A /(N D +N A )W x p = N D /(N D +N A )WZone de charge d'espace dans types n et p 19

Jonction pn à l'équilibre

Résumé

Le courant de dérive compense

exactement le courant de diffusion

Zone de charge d'espace

20

Jonction p-n: nanofils

C. Lieber, Harvard (USA)

1 m http://cmliris.harvard.edu 21

LEDs à nanofils

C. Lieber, Harvard (USA)

22

Diagramme de bande

• A l'équilibre 23
• Apparition d'une zone de déplétion (zone dequotesdbs_dbs18.pdfusesText_24

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