Physique du Physique du semi semi conducteurconducteur

BRBR

Plan

Un peu de quantique et statistique. Dopage Jonction PN Jonction et lumière Le transistor bipolaire Autres dispositifs

Un peu de statistique Un peu de statistique et quantique.et quantique.

BR, HellBR, Hell

Conductibilité intrinsèque

o Les semi conducteurs purs, (non dopés) sont dits intrinsèques.sont dits intrinsèques.

o Ils sont de mauvais conducteurs. o Valeurs de σ =4,10-4 S.m-1 pour Si o σ = 2,1 S.m-1 pour Ge

Propriété fondamentale

La conductibilité croît avec la température, contrairement aux température, contrairement aux métaux.

C’est la propriété fondamentale.

Un minimum de physique quantique

Quand on étudie les particules : ici les électrons dans un cristal, la physique classique, la mécanique est dépassée.classique, la mécanique est dépassée.

L’énergie d’un électron ne varie pas comme l’énergie d’un ballon.

Représentation énergétique

Pour décrire les énergies d’un système, on dessine une échelle, chaque barreau est une énergie possible.

Énergie croissante

énergie possible. Le système est figuré par un point L’abscisse perd sa signification.

Bandes d’énergie permises pour un électron dans un semi conducteur

Les niveaux d'énergie accessibles sont groupés en deux bandes dites deux bandes dites

bande de valence (qui sert à lier) et bande de conduction pour laquelle l'é- est libre

de se déplacer dans le matériau.

Diagramme énergétique

Bande de valence en bas, de conduction en haut.

Bande de conduction : électron mobile

Énergie interdite : gap

Bande de valence : électron fixe

Bande de conduction : électron mobile

Transition valence conduction

A 0°K, tous les électrons sont dans la bande de valence : la conductivité est nulle, personne valence : la conductivité est nulle, personne pour se déplacer, le semi conducteur est isolant.

Pour sauter le ravin, le gap entre les deux bandes, l’électron doit recevoir une quantité d’énergie supérieure à Egap=Econduction-Evalence

Sauter le gap!

Pour être « libre », faut payer.

Bande de conduction : électron mobile

Énergie interdite : gap

Bande de valence : électron fixe

Bande de conduction : électron mobile

transition

trou

Électrons de conduction et trous correspondants

Le départ d'un électron de valence crée un trou positif

trou

Sitrou

Si Si

Si

Si

Qui bouge, qui reste?

Les trous sont mobiles, sous l’effet d’un champ E. Donner le sens de E.

SiSiSiSi

Si

Si

Si

SiSi

SiSi

Sitrou

Déplacement des trous Déplacement des électrons

Mobilité des trous

Le trou est une absence d’électron. Pour la suite, on le considère comme une

vraie particule, avec une masse, une vraie particule, avec une masse, une mobilité.

Il se déplace dans le sens inverse des électrons.

Enfin une particule positive, qui va dans le sens du champ : du + au -!!!!

Limites de la conduction intrinsèque

Le nombre d'électrons qui parviennent à s'échapper est faible : un é de conduction pour 3000 milliard d'atomes.pour 3000 milliard d'atomes.

La population des électrons de conduction croît avec la température T(°K)

Rappel pour le cuivre : un é libre pour un atome.

Comparaison métal/semi conducteur

Dans un métal,R augmente avec T car le réseau freine en s’agitant. (boîte de nuit).réseau freine en s’agitant. (boîte de nuit).

Dans un semi conducteur, le nombre de porteurs de charges croît avec la température, des porteurs naissent quand il fait chaud : R diminue.

C’est la propriété fondamentale.

Le cristal pur n’est pas conducteur.

Donc il faut trafiquer le cristal, d’où le dopage

Dopage

La cuisine des semi conducteurs

Le dopage est obligatoire pour les semi conducteurs

Le dopage permet de faire varier la résistivité d’un semi conducteur de 10-3résistivité d’un semi conducteur de 10Ω.cm à 106Ω.cm.

On peut ainsi, à volonté, rendre le matériau très conducteur, très isolant.

Le procédé permet de sculpter, de dessiner, des circuits actifs.

Isolant facile

L’action du dioxygène permet d’obtenir la silice, un isolant absolu, bien costaud. silice, un isolant absolu, bien costaud.

La silice est le composant majoritaire du verre.

Cette réaction justifie le choix de Si.

2 2Si O SiO+ →

Dopage N, donneur Arsenic

Un atome de Un atome de As et ses 4 As et ses 4 voisins, un voisins, un

Si

voisins, un voisins, un électron électron disponible.disponible.

Si

Si

Si As

Ionisation du donneur

Le site Le site donneur donneur s’ionise, s’ionise,

Si

s’ionise, s’ionise, l’électron est l’électron est parti.parti.

Si

Si

Si As+

Equation bilan de l’ionisation

Qui est fixe,qui est mobile

Donneur Donneur e+ −→ +

Dopage P, Accepteur Indium

Un atome de Un atome de In et ses 4 In et ses 4 voisins, une voisins, une

Silacunevoisins, une voisins, une

place place disponible.disponible.

Si

Si

SiIn

lacune

Capture d’un électron

Un atome de Un atome de In et ses 4 In et ses 4 voisins, une voisins, une

Silacunevoisins, une voisins, une

place place disponible.disponible.

Si

Si

SiIn-

lacune

Equation bilan de la capture

Qui bouge, qui reste?

Accepteur accepteur trou− +→ +

Loi d’action de masse, bis

La loi d’action de masse traduit l’équilibre entre la création et la recombinaison, un électron, évadé, trouve toujours son trou.électron, évadé, trouve toujours son trou.

rien é trou− +→ +

. ²( )ié trous n T− + = é trou rien− ++

La suite : exercices et densités

Électrons de conduction et trous correspondants

Le départ Le départ d'un d'un trou

Sid'un d'un électron électron de de valence valence crée un crée un trou positiftrou positif

trou

Si Si

Si

Si

Électrons de conduction et trous correspondants

Il y a dans un semi conducteur non dopé, Il y a dans un semi conducteur non dopé, intrinsèque, autant de porteurs + que de intrinsèque, autant de porteurs + que de porteurs porteurs --..

Loi d’action de masse, bis

La loi d’action de masse traduit l’équilibre entre la création et la recombinaison, un électron, évadé, trouve toujours son trou.électron, évadé, trouve toujours son trou.

rien é trou− +→ +

. ²( )ié trous n T− + = é trou rien− ++

Principe du dopage

On insère, on mélange, dans le réseau cristallin des atomes des colonnes voisinescristallin des atomes des colonnes voisines

Arsenic : 5 électrons externes indium : 3 électrons externes.

Insertion d’un atome d’As

Si L'atome dopant

vient, neutre, avec un

Si

Si

Si As

avec un électron de trop, disponible pour conduire le courant.

Insertion d’un atome d’Indium

Si L'atome

dopant vient, neutre, avec

Si

Si

SiIn

Trou dispo

neutre, avec un électron de moins, donc un trou de trop, disponible pour conduire le courant.

Intérêt du dopage

On apporte des électrons supplémentaires disponibles ou au contraire des déficits disponibles ou au contraire des déficits (trous).

Attention, ce dopage laisse le cristal neutre, les atomes As et In sont neutres.

Le dopage fournit des charges mobiles. Ainsi on commande la conductivité.

Procédés de dopage

Les procédés sont divers : On peut mélanger le Si fondu, avant

cristallisation.cristallisation. On bombarde avec des ions des éléments

dopants accélérés. On recuit le cristal après. On cuit en présence d'un gaz contenant le

dopant. Le recuit en couches minces peut être fait au

laser.

Conséquence du dopage

Le dopage, contrôlé, permet de contrôler la densité de porteurs de charges, positifs ou négatifs, ceci à la demande.négatifs, ceci à la demande.

On fait varier la résistivité sur plusieurs dizaines de zéros

Précautions et nouvelle vision

La proportion de dopants doit rester faible : 1 pour un million, sinon ça fait des 1 pour un million, sinon ça fait des grumeaux.

La conductibilité extrinsèque, due au dopage, est grande devant l'intrinsèque, que l'on négligera.

On oublie le Si, il sert juste de support.

Dénomination, P, N

On appelle P, comme positif, un semi conducteur où la conduction se fait par les trous +.trous +.

De même, on appelle N …

Représentation Représentation simplifiée d'un semi conducteur dopé P : les bleus sont des ions – fixes les verts des trous + mobiles

Représentation simplifiée du semi conducteur dopé N, on inverse.

Jonction PN

Développée en plus théorique dans une autre présentation

La jonction PN

-Dopé N : électrons-mobiles

+

Dopé P : trous+ mobiles

Jonction PNJonction PN On dope N et P deux zones d'un même On dope N et P deux zones d'un même

substrat.substrat.

Les trous diffusent de la région P vers la Les trous diffusent de la région P vers la région N, ils sont attirés pour piéger des érégion N, ils sont attirés pour piéger des é--, , il y a recombinaison électron trou. il y a recombinaison électron trou. il y a recombinaison électron trou. il y a recombinaison électron trou.

Les électrons laissent une zone chargée +, Les électrons laissent une zone chargée +, les trous une zone chargée les trous une zone chargée --

Un champ électrique se crée à mesure Un champ électrique se crée à mesure dans le sens NP dans le sens de N vers P dans le sens NP dans le sens de N vers P ce champ étouffe la diffusion jusqu’à ce champ étouffe la diffusion jusqu’à stabilisation. La zone est désertée.stabilisation. La zone est désertée.

Mouvement des porteurs libres , formation de la jonction

-+ Dopé N :

électrons-mobiles

Dopé P : trous+ mobiles

Mouvement des porteurs libres , formation de la zone désertée

+- Dopé N :

électrons-mobiles

Dopé P : trous+ mobiles

Jonction PNJonction PN

Des deux côtés N et P de la jonction,Des deux côtés N et P de la jonction, Après la recombinaison électron trou : Après la recombinaison électron trou :

La zone désertée est d’autant plus La zone désertée est d’autant plus La zone désertée est d’autant plus La zone désertée est d’autant plus profonde que la densité de charges est profonde que la densité de charges est faible, car il faut aller chercher les charges faible, car il faut aller chercher les charges plus loin.plus loin.

La jonction PNLa jonction PN

Zone désertée

Dans quel sens est le champ créé par les Dans quel sens est le champ créé par les charges d’espace dans la zone désertée?charges d’espace dans la zone désertée?

P neutre,

P désertéchargée

-

N désertée chargée +

N, neutre

Zone désertée

La jonction PNLa jonction PN

Zone désertée

P neutre,

P désertéchargé

-

N désertée chargée +

N, neutre

Zone désertée

Champ Einterne

Propriétés de la jonction

La jonction est globalement neutre mais en deux parties chargées de signes opposés.

La jonction désertée par les charges mobiles La jonction désertée par les charges mobiles est isolante.

La jonction est une barrière, un « no man’s land » la terre de personne..

Ei champ interne arrête la recombinaison. Ce champ est appelé champ de diffusion.

La jonction PN polarisée, La jonction PN polarisée, branchéebranchée

Générateur continu

P neutre,

P désertéchargé

-

N désertée chargée +

N, neutre

Champ Einterne

La jonction PN polariséeLa jonction PN polarisée

P neutre,

P désertéchargé

-

N désertée

chargée + N, neutre

Champ E externe

Champ Einterne

La jonction PN polariséeLa jonction PN polarisée

P neutre,

P désertéchargé

-

N désertée chargée + N, neutre

Champ Ei

Courant direct et recombinaison

Tout passage de courant implique une recombinaison électrons trou.Le courant est, d’un côté, porté par les trous, Le courant est, d’un côté, porté par les trous, de l’autre par les électrons.

Un courant traversant vient d’une recombinaison à l’interface, une « mort fusionnelle ».

Cette recombinaison peut donner lieu à émission…

On a une diodeOn a une diode

Le courant ne passe pas si le champ Le courant ne passe pas si le champ appliqué renforce l'effet du champ du à la appliqué renforce l'effet du champ du à la jonction.jonction.jonction.jonction.

Si le champ s'oppose au champ de la Si le champ s'oppose au champ de la jonction, la jonction maigrit.jonction, la jonction maigrit.

Aidés par le champ externe, les porteurs Aidés par le champ externe, les porteurs peuvent passer, la diode conduit.peuvent passer, la diode conduit.

Reprendre la diapos et expliquer le Reprendre la diapos et expliquer le mouvement des trous et des électrons.mouvement des trous et des électrons.

Effets inverses dans une diodeEffets inverses dans une diode

Effet ZENER : sous l’effet d’une tension Effet ZENER : sous l’effet d’une tension inverse importante, les liaisons entre les ions inverse importante, les liaisons entre les ions fixes et les porteurs mobiles cassent, le fixes et les porteurs mobiles cassent, le fixes et les porteurs mobiles cassent, le fixes et les porteurs mobiles cassent, le courant passe. À l’envers.courant passe. À l’envers.

Effet d’avalanche : les porteurs libérés par le Effet d’avalanche : les porteurs libérés par le champ inverse intense percutent, bousculent, champ inverse intense percutent, bousculent, les porteurs fixes, leur donnent l’énergie, les porteurs fixes, leur donnent l’énergie, c’est l’avalanche, les deux phénomènes ont c’est l’avalanche, les deux phénomènes ont lieu simultanément.lieu simultanément.

Jonction et lumière

Emetteur et détecteur

Jonction PN et lumièreJonction PN et lumière

Si la jonction est approvisionnée en porteurs, Si la jonction est approvisionnée en porteurs, donc alimentée, des recombinaisons donc alimentée, des recombinaisons donc alimentée, des recombinaisons donc alimentée, des recombinaisons électrons trous ont lieu avec de l’énergie électrons trous ont lieu avec de l’énergie dégagée, pour certaines conditions, cette dégagée, pour certaines conditions, cette énergie peut sortir de la diode sous forme énergie peut sortir de la diode sous forme lumineuse. C’est la DELlumineuse. C’est la DEL

DELDEL

Flécher : sens des é-, des trous+.

Où ont lieu les recombinaisons?

P neutre,

P désertéchargé

-

N désertée chargée + N, neutre

Champ Ei

DEL suite

Le lien entre l’énergie et la couleur est contenu dans la relationL’énergie dégagée lors des recombinaisons

.E h f= L’énergie dégagée lors des recombinaisons

donnent des photons de fréquence (couleur) précise, la DEL est quantique.

Le choix des dopants détermine la taille du saut énergétique, qui détermine la couleur.

dopant Niveaux d’énergie

Énergie du photon émis

Couleur perçue

Photo diode

La photodiode est développée à part dans la présentation cellules solaires photovoltaïques.photovoltaïques.

Compromis

Une grosse diode est sensible, mais : Possède un champ faible, étalé. Les charges sont étalées aussi donc longues

à ranger en cas de changement de régime. Large jonction= dispositif lent, mais sensible.

Transistor bipolaire

Deux diodes têtes bêches;

Le transistor bipolaire PNP Le transistor bipolaire PNP présentation présentation

UEBUBC

B C

P faiblement dopé N, étroit,

Pfortement

dopéChamp E

interne Champ Einterne

EBCEEB

E B C

Le fonctionnement du transistor PNP

La jonction Base Emetteur est isolante en l’absence de champ externe.

Sous l’effet d’un champ contraire U >O on rétrécit la zone désertée, des porteurs (+ UEB >O on rétrécit la zone désertée, des porteurs (+ trous) franchissent la barrière.

Les porteurs abordent la jonction NP, (EB) on crée un courant IEB.

Certains porteurs sont relancés par le champ interne additionné du champ UBC. Un courant de collecteur est amorcé par un courant de base.

Un petit courant iBE commande un gros courant ICE

Le transistor bipolaire PNP montage de base

RcR1

Rb Ueb

UecIb mA

Le transistor bipolaire Le transistor bipolaire fonctionnementfonctionnement

P fortement dopé, N, etroit,

Pfaiblement

dopé,

Reprendre la jonction be, flécher le champ Reprendre la jonction be, flécher le champ interneinterne

Donner le sens du champ permettant la Donner le sens du champ permettant la diffusion des porteursdiffusion des porteurs

Expliquer la possibilité des porteurs de Expliquer la possibilité des porteurs de traverser la jonction BCtraverser la jonction BC

P fortement dopé, N, etroit,

Pfaiblement

dopé,

Autres dispositifs

Sur l’étagère.

Les transistors à effet de champFET, (field effect transistor)

Caractéristique principale : une tension commande un courant.un courant plus faible peut rendre le un courant plus faible peut rendre le transistor conducteur.

On consomme moins pour la commande : le rêve de tout dispositif : la commande gratuite.

Le JFET à appauvrissementLe JFET à appauvrissement

P

Grille,gate

SourceDrain

P fortement dopé,

N canal

Sur la diapo précédente

Placer les zones désertées correspondants aux jonctions.Placer les champs internes des deux Placer les champs internes des deux jonctions.

Quel signe donner à Vd pour appauvrir complètement le canal n?

Avec la légendeAvec la légende

P

Grille,gate Source

Drain

Si Vg est Si Vg est négative, le négative, le champ repousse champ repousse

P fortement dopé,

N canal champ repousse champ repousse les éles é-- les deux les deux zones désertées zones désertées se touchent le se touchent le tuyau est tuyau est bouché p, le bouché p, le courant est courant est commandé par commandé par la tension Vg< 0.la tension Vg< 0.

Le MOSFET à enrichissementLe MOSFET à enrichissement

Si Vg est négative, le champ repousse les Si Vg est négative, le champ repousse les éé-- et attire les porteurs minoritaires p, et attire les porteurs minoritaires p, formant un canal p le courant est formant un canal p le courant est commandé par la tension Vg< 0.commandé par la tension Vg< 0.

N canal

P mos

P

commandé par la tension Vg< 0.commandé par la tension Vg< 0.

Reprendre la jonction be, flecher le champ Reprendre la jonction be, flecher le champ interneinterne

Donner le sens du champ permettant la Donner le sens du champ permettant la diffusion des porteursdiffusion des porteurs

Expliquer la possibilité des porteurs de Expliquer la possibilité des porteurs de traverser la jonction BCtraverser la jonction BC

P fortement dopé, N, etroit,

Pfaiblement

dopé,

Les dispositifs sont innombrables

Mais la base est toujours la jonction np