Pensez à la partie application traitée sous forme de projet Propositions les photodiodes PIN capteurs à semi-conducteur dans un smartphone : température,

Pensez à la partie application traitée sous forme de projet

Propositions• les photodiodes PIN• capteurs à semi-conducteur dans un smartphone : température, accélération, altitude, horizontalité, champ magnétique, etc...• diodes laser pour les télécoms• diodes laser de puissance• couleurs des diodes électroluminescentes

Séances à venir : 20/11 – 27/11 – 11/12 – 18/12 – 20/12

Jusqu’ici : définition de milieux où on contrôle la nature et la concentration des porteurs de charge électrique sur une large plage de valeurs.

Application possible : la résistance d’un ½ conducteur intrinsèque liée au nombre de paires électrons trous

½ cond.

V

I

T

Si T augmente, le nombre de porteurs augmente, R = U/I diminue.

Thermistance

Semi-conducteurs

Jusqu’ici : fabrication de milieux où on contrôle la nature et la concentration des porteurs de charge électrique sur une large plage de valeurs.

Application possible : la résistance d’un ½ conducteur intrinsèque liée au nombre de paires électrons trous

V

I

h

h

BV

BCPhoton > paire électron-trou

Photorésistance

Tout cela est bien peu comparé au champ d’application des jonctions !!

Jonction pn = « collage » d’un même semi-conducteur dopé p et dopé n.Collage entre guillemets car l’ordre cristallin est conservé.

BC

BV

BC

BV

Région dopée n Région dopée p

+

+

+

+

+

+

++

+

+

-

-

-

-

--

- -

-

-

Zone de déplétion : plus de porteurs (majoritaires) libres !

-

-

-

+

+

+

Eeq

-

-

-

- -

-

-

+

+

++

+

+

+

+ - : charges fixes (dopants ionisés)-+ : charges mobiles (trous, électrons)

Description simple : on oublie les porteurs minoritaires1- à l’équilibre = pas de champ appliqué

+

+

+

+

+

+

++

+

+

-

-

-

-

--

- -

-

-

-

-

-

- -

-

-

+

+

++

+

+

+

Description simple : on oublie les porteurs minoritaires2- hors équilibre = avec tension appliquée

1011 cm-3 1016 cm-31016 cm-3

Eeq

r R>>r r

U

Ur UR Ur

UrR

RUR

2La tension appliquée se retrouve aux bornes de la zone de déplétion, où elle crée un champ électrique

-

-

-

- -

-

-

+

+

++

+

+

+

Description simple : on oublie les porteurs minoritaires3- avec tension appliquée en sens direct

Eeq

Eapp

I

Dans le sens direct : existence d’un courantAnnihilation de paires électron-trou

→ photons si gap direct (LED !)→ échauffement si gap indirect→ chute de tension dans tous les cas

-

-

-

- -

-

-

+

+

++

+

+

+

Description simple : on oublie les porteurs minoritaires4- avec tension appliquée en sens indirect

Eeq Eapp

→ sauf si photons injectés dans la zone de déplétion (photodiode !)

- +

i

Dans le sens indirect :→ pas de courant

-

-

-

- -

-

-

+

+

++

+

+

+

Description dynamique avec les porteurs minoritaires

Eeq

-

+

Porteurs majoritaires→ très nombreux→ mais seule une toute petite fraction possède assez d’énergie pour franchir la zone de déplétion

Porteurs majoritaires→ très rares→ franchissent très facilement la zone de déplétion

A l’équilibre, compensation entre le courant de diffusion des porteurs majoritaires et le courant d’entrainement des porteurs minoritaires

Description en termes de niveaux d’énergie :analogie ferroviaire

Wagon dopé V Wagon dopé S

Mise en contact des deux wagons → le même état d’équilibre dans les deux wagons, dans tout le train

En langage semi-conducteur :équilibre = raccordement des niveaux de Fermi

Description en termes de niveaux d’énergie :à l’équilibre

BC

BV

Mode opératoire « théorique »

Dopage n Dopage p


BC

BV

Mode opératoire « théorique »1- mise en contact des régions n et p

Dopage n Dopage p


BC

BV

Mode opératoire « théorique »1- mise en contact des régions n et p2- raccordement des niveaux de Fermi

Dopage n Dopage p

Description en termes de niveau d’énergie :à l’équilibre

BC

BV

Mode opératoire « théorique »1- mise en contact des régions n et p2- raccordement des niveaux de Fermi3- progressivité du raccordement des bandes

+ -

Dopage n Dopage p

Description en termes de niveau d’énergie :à l’équilibre

BC

BV

Mode opératoire « théorique »1- mise en contact des régions n et p2- raccordement des niveaux de Fermi3- progressivité du raccordement des bandes4- où sont les porteurs libres ?

+ + + + +- - - - -

Dans le diagramme énergétique :

les électrons cherchent à descendre

les trous cherchent à monter

Niveau de Fermi au milieu du gap ↔ comme semi-conducteur intrinsèque ↔ très peu de porteurs libres !!!

Dopage n Dopage p

Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens passant

BC

BV

Mode opératoire « théorique »1- on part de l’état d’équilibre

Dopage n Dopage p


BC

BV

Mode opératoire « théorique »2- la tension applique se retrouve aux bornes de la zone de déplétion. Dans le sens direct :

Vn < Vp

energie d’un électron = énergie à l’équilibre – eVdonc l’énergie de la zone n monte par rapport à celle de la zone p

Région p : pas de champ → quasi-niveau de Fermi

Région n : pas de champ → quasi-niveau de Fermi

Dopage n Dopage p


BC

BV

Mode opératoire « théorique »3- on raccorde les bandes d’énergie dans la zone de déplétion. Le niveau de Fermi n’y est pas défini (hors équilibre)

Région n : pas de champ → quasi-niveau de Fermi

Région p : pas de champ → quasi-niveau de Fermi

Dopage n Dopage p

Description en termes de niveau d’énergie :polarisation en sens passant

BC

BV

Mode opératoire « théorique »4- on place les charges majoritaires dans les régions n et p

+ + + + +

- - - - -

Dopage n Dopage p


BC

BV

Mode opératoire « théorique »5- on regarde le mouvement des charges libres.

+ + + + +

- - - - -




Dopage n Dopage p

Il s’établit courant électrique, accompagné de rencontres électron trou → création de h si gap direct : LED

Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens bloquant

BC

BV

Mode opératoire « théorique »1- on part de l’état d’équilibre

Dopage n Dopage p


BC

BV

Mode opératoire « théorique »2- la tension applique se retrouve aux bornes de la zone de déplétion. Sens bloquant :

Vn > Vp

énergie d’un électron = énergie à l’équilibre – eVdonc l’énergie de la zone n baisse par rapport à celle de la zone p

Région n : pas de champ → quasi-niveau de FermiRégion p : pas de

champ → quasi-niveau de Fermi

Dopage n Dopage p


BC

BV

Région n : pas de champ → quasi-niveau de FermiRégion p : pas de

champ → quasi-niveau de Fermi

Mode opératoire « théorique »3- on raccorde les bandes d’énergie dans la zone de déplétion. Le niveau de Fermi n’y est pas défini (hors équilibre)

Dopage n Dopage p


BC

BV

Mode opératoire « théorique »4- on place les charges majoritaires dans les régions n et p

+ + + + +- - - - -

Dopage n Dopage p


BC

BV

Mode opératoire « théorique »5- on regarde le mouvement des charges libres

+ + + + +- - - - -

Dopage n Dopage p





BC

BV

Mode opératoire « théorique »6- pas de déplacement de porteurs majoritaires, mais si une paire électron-trou est créée dans la zone de déplétion, l’électron et le trou sont accélérés dans des régions où ils ne peuvent pas se recombiner. Bilan : h → courant électrique : photodiode

-

+

Dopage n Dopage p

+ + + + +- - - - -

BC

BV

Hétérojonctions

Deux-semi conducteurs compatible au niveau cristallographique mais de gaps différents. Exemple : Ga As dopé p et Alx Ga1-x As dopé n

BC

BV

BC

BV

+ + + + +

- - - - -

BC

BV

BC

BV

- - - - -

+ + + + +

Conduction uniquement par les électrons !

Le niveau de Fermi se sépare en 2 quasi niveaux

Equ

ilibr

eH

ors

équi

libre

Dopage p Dopage n

Double hétérojonction

Trois semi-conducteurs compatible au niveau cristallographique mais de gaps différents. Exemple : Alx Ga1-x As dopé p Ga As dopé p et Alx Ga1-x As dopé n

Semi-conducteurs isolés

Mise à l’équilibre

Dopage p Dopage nDopage p



Mise à l’équilibre : niveau de Fermi commun.




Polarisation. La tension appliquée se répartit aux bornes de deux zones de déplétion → le niveau de Fermi se sépare en 3 quasi niveaux.



+ + + + +

- - - - -

+ + + + +


Les porteurs majoritaires de chaque zone peuvent se déplacer







+ + + + +

- - - - -

Les porteurs libres (électrons et trous) sont piégés dans la zone intermédiaire. Seule échappatoire : annihilation de paires électrons trous.

Ga As ½ conducteur à gap direct → diode laser


z

EBC

BV

d

z

d~10nm

Diode à puits quantique

Courant électrique

h

Dimension très petite : le mouvement des électrons et des trous dans la direction z est quantifié

1

2

3

3

21

Transitionsintra-bandes.E déterminé par la hauteur du puits quantique

Transitionsinter-bandes.E déterminé par

la dimension du puits quantique et la largeur du gap

n

E

k//

1

2

3

1

2

3

Bandede

conduction

Bandede

valence

Puits quantique : énergie, transition

En x ou y : E = ½ kx2 → dispersion parabolique

En z, quantification → niveaux discrets

1

2

3

3

21

Transitionsintra-bandes.E déterminé par la hauteur z du puits quantique

Transitionsinter-bandes.E déterminé par la hauteur Dz du

puits quantique et par le gap

n

E

k//

1

2

3

1

2

3

Bandede

conduction

Bandede

valence

Puits quantique : énergie, transition

En x ou y : E = ½ kx2 → dispersion parabolique

En z, quantification → niveaux discrets

E

BC

BV

Avant relaxation A l’équilibre

Métal Oxyde Semi-conducteurPas de courant dans la « jonction »

Sous tensionVSC>Vmétal

Apparition locale d’une zone (n).Stockage d’électrons issus seulement de création de paires !!

Dopage p

Documents

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