Semi Conducteur

COURS DE SOUTIEN AUX TPs – PHYTEM

COMPOSANTS ELECTRONIQUES A BASE DESEMICONDUCTEURS

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 niveaux2) Modèle de la chaîne linéaire de N atomes!: introduction de la relation de dispersion et

des fonctions de Bloch3) Métaux, isolants, semiconducteurs (remplissage des bandes, énergie de gap)4) Introduction à la masse effective

CHAPITRE II!: Semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques1) Semiconducteurs intrinsèques. Densité de porteurs à l’équilibre thermodynamique2) 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 semiconducteurs1) En l’absence de champ magnétique. Mobilité, conduction électrique (modèle de

Drude) dans un semiconducteur intrinsèque et dans un semiconducteur extrinsèque2) En présence de champ magnétique!: magnétorésistance et effet Hall, dans un

semiconducteur intrinsèque et dans un semiconducteur extrinsèquea) Un seul type de porteursb) Deux types de porteurs

CHAPITRE IV!: Jonction p-n1) A l’équilibre thermodynamique!: zone de charge d’espace2) 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-électronique1) 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 typed’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 CCD1) Principe de la capacité MOS, stockage des charges2) Principe du transfert de charges

BIBLIOGRAPHIE

• Henry Mathieu!: Physique des semiconducteurs et des composantsélectroniques2ème cycle, écoles d’ingénieurs,chez Dunod

• Henry Mathieu, Thierry Bretagnon, Pierre Lefebvre!: Physique dessemiconducteurs et des composants électroniques, problèmes résolus2ème et 3ème cycles, écoles d’ingénieurschez Dunod

• Sextant!: Optique expérimentalechez Hermann

• C. Hermann, B. Sapoval!: Physique des semiconducteursCours de l’Ecole PolytechniqueChez Ellipses

• C!. Cohen-Tanoudji, F!. Laloé, B. Diu!: Mécanique Quantique

• Didier Dangoisse, Daniel Hennequin, Véronique Zehnlé-Dhaoui!: Les lasers,cours et exercices corrigés2ème cycle, écoles d’ingénieurschez Dunod

TRANSPARENTS

CHAPITRE I

ETATS QUANTIQUES DEL’ELECTRON DANS UN SOLIDECRISTALLIN!: 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 deuxniveaux 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

Métal Isolant

EETrait vert:densité d’états

Trait bleu:distribution de Fermi-Dirac

Zone hachurée:états occupés

I-3) Métaux, isolants, semiconducteurs

Remplissage des bandes à T≠0

Métal Semiconducteur Isolant

EEE

Trait vert:densité d’états

Trait bleu:distribution de Fermi-Dirac

Zone hachurée:états occupés

CHAPITRE II

SEMICONDUCTEURSINTRINSEQUES ET

EXTRINSEQUES

II-2) Semiconducteurs extrinsèques

Donneurs

Atome de Phosphore dans un réseau de Si (chaque point noir représente un électron). Dans lastructure 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 lastructure 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 enfonction de la température

CHAPITRE III

PROPRIETES DE TRANSPORTDANS 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 noirsreprésentent 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’espacepour unejonction abrupte

Potentiel

Bandesd’énergie

Champélectrique

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 composantDiodes 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-nPrincipe de fonctionnement

V-5) Diode électroluminescente

Schéma du composant diode électroluminescentePrincipe 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 4niveaux

Dans lessemiconducteurs,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

E-Eg

I (arb.Units)

Emissionspontanée

Emissionstimulée

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 VICAMERA CCD

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

MECANISME DU TRANSFERT DE CHARGE

REPRESENTATION SCHEMATIQUE D’UN CAPTEUR CCD