Post on 16-Oct-2021
I.BASES DE L’ÉLECTROCHIMIE DES SEMI-CONDUCTEURS1- Couple rédox, énergétique à l’interface2- Équilibre ou absence de processus faradique: la double couche et
l’interface idéalement polarisée3- Transfert de charge4- Transfert de masse/espèces superficielles5- Cas d’une électrode semi-conductrice
II.LA RELATION DE MOTT-SCHOTTKY1- Démonstration2- Caractérisation expérimentale d’un semi-conducteur par impédance
électrochimique
III.EXERCICE D’APPLICATION1- Cas d’une interface idéalement polarisée2- Réactions électrochimiques se produisant à une interface SC/solution
Notions sur l’électrochimie des semi-conducteurs
UE 824 Électrochimie et énergie – Cours de É. Mahé – 4h
neutralité électrique ≠ équilibre
Rappels sur les semiconducteurs
• Semiconducteur intrinsèque• Semiconducteur extrinsèque = dopé• Interface semiconducteur-électrolyte
Semiconducteur intrinsèque
K0T
BC
Eg
BV
K0T
BC
BV
K0T
EC
EV
EFi
Création de paires e-/h+ par excitation thermique
Niveau de Fermi intrinsèque EFi
Densité de porteurs intrinsèques
221
2VC
C
VVCFi
EENNkTLogEEE
)2
exp(kT
ENNnpn g
CVi Si à 300 Kni=1,5.1015 cm-3
e-h+
Semiconducteur dopé
Type n Type p
EC
EV
EFi
EF,p
EC
EV
EF,n
EFi
NA<<ND NA>>ND
Introduction d’un élément étranger X dans le réseau pour augmenter la conductivité
X = Donneur(ex : le P pour le Si )
X → X+ + e-
X = Accepteur(ex : le B pour le Si )
X + e- → X-
2 types de dopage
Porteurs de charges majoritaires = électrons
Porteurs de charges majoritaires = trous
EF est relié au « potentiel chimique » des électrons
dans le SC
La position du niveau de Fermi va être modifiée et dépendra du taux de dopage
Interface SC/SolutionFormation d’une interface SC/électrolyte
ECEF,n
EV
SC type n Electrolyte
Erédox
ECEF,n
EV
Erédox
égalisation des niveaux de Fermi
EF,n = Erédox
E
ZCE (zone de charge d’espace)
e-D+ donneur ionisé
Chute de potentiel à travers l’interface : (partionning)
HSCtot VVV
eΔVSC
eΔVH
Erédox
SC type n Electrolyte
• Accumulation de charges des 2 côtés de l’interface :- Dans la ZCE côté SC- Dans la couche de Helmholtz côté solution
• L’interface assimilée à deux condensateurs plans de caractéristiques différentes
• Ancrage des bords de bandes :CSC (10-8)<<CH(10-5)
Type p
Suivant le potentiel imposé la ZCE du SC va se trouver sous différents régime
E
Bandes plates
E
V = Vbp
V
V
Type n
Déplétion = appauvrissement en porteurs majoritaires
ECEF,n
EV
E
EC
EF,pEV
E
V
V
- - -
Inversion
E
E
V
V
- -
V
E
Accumulation
V
E
- - -
Polarisation de la jonction SC/électrolyte
Cas d’un semiconducteur de type n
EV
EC
E /V
EI
FORTE INVERSION
INVERSION DEEF ET DE EI
EN SURFACE
-qF
VFB
S = 2 F
VINVEN SURFACE, PORTEURS MINORITAIRES PLUSNOMBREUX QUE DE LES PORTEURS MAJORITAIRESNE L’ÉTAIENT A Efb (s=0)
Type n
EF=EFFB - qS
EFFB
--
------------------ +
++++ + +
+
- - - - -
EV
EC
E /V
EI
EF=EFFB + qS
ÉGALITÉ DEEF ET DE EI
EN SURFACE
FAIBLE INVERSION (cas limite)
VFBS = F
AUTANT DE PORTEURS MINORITAIRES QUE DE PORTEURS MAJORITAIRES EN SURFACE
Type n
-qF
EFFB
--
------------------
++ +
- - - -
EVE /V
EI
EC
VFB
Type n
EF=EFFB + qS
DÉPLÉTION
-qF
EFFB
--
------------------
++ +
- - -
EV
EC
E /V
BANDES PLATES
EI
-qF
VFB
EFFB
Type n
EV
EC
E /V
EI
VFB
Type n
EF=EFFB - qS
ACCUMULATION
-qF EFFB
+++++
++
+++
+++++
++++
+++++
+++++
-- -
++ +
Cas d’un semiconducteur de type p
EVE /V
ACCUMULATION
EI-qF
EC
VFB
Type p
EF=EFFB + qS
EFFB
--
------------------
++ +
- --
EV
EC
E /V
BANDES PLATES
EI-qF VFB
EFFB
Type p
EV
EC
E /V
DÉPLÉTION
EI-qF
VFB
Type p
EF=EFFB - qS
EFFB
+++++
++
+++
+++++
++++
+++++
+++++
+ + +
--
-
EV
EC
E /V
EI
EF=EFFB - qS
ÉGALITÉ DEEF ET DE EI
EN SURFACE
-qF
FAIBLE INVERSION (cas limite)
VFBS = F
AUTANT DE PORTEURS MINORITAIRES QUE DE PORTEURS MAJORITAIRES EN SURFACE
Type p
EFFB
+++++
++
+++
+++++
++++
+++++
+++++
--
---
+ + + +
EV
EC
E /V
EI
FORTE INVERSION
INVERSION DEEF ET DE EI
EN SURFACE
-qF
VFB
S = 2 F
VINV
EN SURFACE, PORTEURS MINORITAIRES PLUS NOMBREUX QUE DE LES PORTEURS MAJORITAIRES NE L’ÉTAIENT A Efb (s=0)
Type p
EF=EFFB - qS
EFFB
+++++
++
+++
+++++
++++
+++++
+++++
--
---
--
+ + + +
Distribution des porteurs de charge – Modèles de charge d’espace
log
Con
cent
ratio
n
++++++++++
Coeur de l’électrode
Zone de charge d’espace
Charge interfaciale
log
Con
cent
ratio
n
++++++++++
Coeur de l’électrode
Zone de charge d’esace
Charge interfaciale
Gouy-Chapman• La distribution des porteurs de charge positifs et négatifs est gouvernée par le champ électrique• Solutions d’électrolytes
Mott-Schottky• L’un des type de porteur de charge est immobile, l’autre,porteur de charge majoritaire reste mobile : •Exemple SC type-p en régime de déplétion (appauvrissement de surface)
Distribution des porteurs de charge – Densité des porteurs de charges
Solutions électrolytiques
• Les porteurs de charge positifs et négatifs :cations et anions• Concentrations typiquement µmol.L-1 jusqu’à 1 mol.L-1
•TYPIQUEMENT 10-3 mol.L-1
Métaux
• Les porteurs de charge sont les électrons libres• Concentrations typiquement cas du cuivre: 8,5 1028 électrons/m3
•TYPIQUEMENT 140 mol.L-1
Semiconducteurs
• Les porteurs de charge positifs ou négatifs :électrons e- de la bande de conduction (BC) ou h+ de la bande de valence (BV).• Concentration dans le cas du silicium dopé: 1017 électrons/cm3
•TYPIQUEMENT 10-4 mol.L-1
Le potentiel de bandes plates : Vbp
• Il dépend de la nature de l’électrolyte et du matériau SC• Caractéristique importante de la jonction :
• Il est déterminé en général par des mesures d’impédances électrochimiques
Caractéristiques électriques de la ZCE (CSC, RSC..)
Il sépare le régime de déplétion du régime d’accumulationIl permet la compréhension des cinétiques de transferts de charges et des mécanismes se produisant à l’interface semi conducteur/électrolyte
2
2
0 dxxVdx
Déplétion suffisamment grande ( eΔVSC>>kT)
Par traitement de l’équation de Poisson
ekTVV
eNC fbSC
0
2 2
N=ND ou NA
Vbp V
2SCC
Equation de Mott-Schottky
Pente→ NExtrapolation→Vbp → EC,S et EV,S
porteurs de charges nS et pS
Type p
Type n
Type n