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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
