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ELE101composants électroniquesPlan
Composants ElectroniquesComposants Electroniques
• Introduction
C tit ti d l tiè d l’él t à l’ t d l’ t i t l• Constitution de la matière : de l’électron à l’atome, de l’atome au cristal
• Les matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Semiconducteurs à l’équilibreSemiconducteurs à l équilibre
• Dynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
• Dispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonctions
• Dispositifs élémentaires : transistor bipolaire
• Dispositifs élémentaires : jonctions MS et MIS
• Di itif élé t i t i t à ff t d h• Dispositifs élémentaires : transistor à effet de champ
• Dispositifs optoélectroniques
• Futur : nanoélectronique
C. AlganiC. Algani 1
q
ELE101composants électroniquesPlan
Composants ElectroniquesComposants Electroniques
• Introduction
C tit ti d l tiè d l’él t à l’ t d l’ t i t l• Constitution de la matière : de l’électron à l’atome, de l’atome au cristal
• Les matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Semiconducteurs à l’équilibreSemiconducteurs à l équilibre
• Dynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
• Dispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonction
• Dispositifs élémentaires : transistor bipolaire
• Dispositifs élémentaires : jonctions MS et MIS
• Di itif élé t i t i t à ff t d h• Dispositifs élémentaires : transistor à effet de champ
• Dispositifs optoélectroniques
• Futur : nanoélectronique
C. AlganiC. Algani 2
q
ELE101composants électroniquesIntroduction
• Composants électroniques : fonctionnent grâce aux propriétés des électrons dans les semiconducteurs
Déplacement des e- dans ces matériaux création de courants
Nécessité de concevoir des composants électroniques performants et de plus en plus petits pour la réalisation de circuits intégrés
• Historique :1904 : invention de la diode (Angleterre J A Flemming) utilisation dans les postes de radio1904 : invention de la diode (Angleterre J.A. Flemming) utilisation dans les postes de radio
1907 : invention de la triode (USA L. de Forest)
1948 : invention du transistor (USA J.Bardeen, W.Brattain, W.Schockley – Laboratoire Bell)21954 : fabrication du premier transistor sur Si (TI) : 1cm2 (10 fois plus petit en 1964)
1961 : premier CI à 6 composants (100 composants en 1966)
1971 : premier microprocesseur (Intel4400 : 2300 transistors (10µm))
1982 : premier PC (IBM) et 1984 : premier MAC
1960 2000 : réduction de la taille d’un transistor d’un facteur 10000
C. AlganiC. Algani 3
1960 2000 : réduction de la taille d un transistor d un facteur 10000
ELE101composants électroniquesIntroduction
• Historique :Premiers ordinateurs : à base de tubes à vide (triodes) : encombrement et pannes fréquentes
1948 : invention du transistor déplacement des e- dans un solide et non plus dans le vide1948 : invention du transistor déplacement des e dans un solide et non plus dans le vide
innovation : utilisation d’un semiconducteur matériau particulier dont on peut contrôler la capacité à conduire les courants d’e-
Progrès technologiques de fabrication augmentent au cours du tempsProgrès technologiques de fabrication augmentent au cours du temps
Le nombre de transistors augmente
Le nombre de connexions augmente
Les technologies planaires apparaissent (1959) pour réaliser les interconnexions
Apparition des CI qui deviennent de plus en plus complexes
Apparition de la microélectronique (chaque composant a une taille de l’ordre du µm, y compris les connexions)
C. AlganiC. Algani 4
ELE101composants électroniquesIntroduction
• Historique Microprocesseur :
Nombre transistors : Horloge : Bus : RAM adressable :Nombre transistors : Horloge : Bus : RAM adressable :1970s :4004 à 8088
2300 (10µm) à 29000 (3µm)
108kHz à 8MHz 4 à 8 bits 640 octets à 1MO
1980s :80286 à Intel 486
134000 (1.5µm) à 1.2 million (0.8µm)
6MHz à 50MHz 16 à 32 bits 16 MO à 4 GO
1990s :Intel 486 à
PIII
1.2 (1µm) à 28 millions (0.18µm)
16 à 933MHz 32 à 64 bits 4 GO à 64 GO
2000s :PIV à P-M
44 (0.18µm) à 286 millions (90nm)
1.5 à 3.6GHz 64 bits 64GO
2005 : DualCore : 2 P4 gravés en un seul bloc 2 6 à
P-D, P-E, Dual Core
en un seul bloc291 millions à 1.7 milliards (65 à 45nm)
2.6 à 3.4GHz 64 bits 64GO
C. Algani 5
Diminution taille transistor
augmentation consommation jusqu’à 88W
ELE101composants électroniquesIntroduction
• Historique Microprocesseur :
C. Algani 6
4004 (~12 mm2)
P4 (~200 mm2)
ELE101composants électroniques
C. Algani 7PM
ELE101composants électroniquesIntroduction
• Microélectronique :Domaines : physique, chimie, électroniquep y q , , q
Composants du CI d’une taille de l’ordre du µm
Réalisation en salle blanche selon plusieurs étapes technologiques et un procédé spécifique
Fabrication des CI sur une tranche (wafer) de semiconducteur (Si GaAs InP )Fabrication des CI sur une tranche (wafer) de semiconducteur (Si, GaAs, InP,…)
Découpage des CI et montage de la puce en boîtier
Augmentation de la complexité des CI
Loi de Moore (multiplication par 2 de
la densité des transistors tous les 18 mois)
Microsystèmesy
Puces à ADN
C. Algani 8
ELE101composants électroniquesIntroduction
• Nanoélectronique :Recherche depuis une trentaine d’années
C t d l’ d d f tiè d l ’é h ll t i (1 t 0 1 )Composants de l’ordre du nm frontière de l ’échelle atomique (1 atome ~ 0.1nm)
Domaines : physique, chimie, électronique et biologie
Essor grâce à la création du microscope à effet tunnel (1981)
Diminution de la taille des transistors (échelle nanométrique) : loi de Moore respectée ?
Réalisation de nanotransistors :
nécessité d’adapter 2 étapes clés du procédé technologique : lithographie et gravurenécessité d adapter 2 étapes clés du procédé technologique : lithographie et gravure
Fonctionnement ? : de nouveaux phénomènes échappant à la physique classique apparaissent
Phénomènes quantiques : existent dans les transistors de taille micrométrique mais restent négligeablesnégligeables
Nécessité d’inventer de nouveaux composants
Electronique moléculaire : la brique élémentaire = atome ou molécule
C ti d’ tité lé l i d té d f ti él t i bl d ’ i tConception d’entités moléculaires dotées de fonctions électroniques capables de s’organiser entre elles
Molécules existantes : molécules de synthèse, biomolécules (ADN), nanoparticules métalliques ou semiconductrices, nanotubes de carbone
C. Algani 9
,
Étapes de fabrication d’un dispositif moléculaire posent problème
ELE101composants électroniquesIntroduction
• Nanoélectronique :
Si Microneedles (Tyndall) : electrotherapy of cancer tumors
Nanotubes de carbone
C. Algani 10
ELE101composants électroniquesPlan
Composants ElectroniquesComposants Electroniques
• Introduction
C tit ti d l tiè d l’él t à l’ t d l’ t i t l• Constitution de la matière : de l’électron à l’atome, de l’atome au cristal
• Les matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Semiconducteurs à l’équilibreSemiconducteurs à l équilibre
• Dynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
• Dispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonction
• Dispositifs élémentaires : transistor bipolaire
• Dispositifs élémentaires : jonctions MS et MIS
• Di itif élé t i t i t à ff t d h• Dispositifs élémentaires : transistor à effet de champ
• Dispositifs optoélectroniques
• Futur : nanoélectronique
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q
ELE101composants électroniquesConstitution de la matière : de l’e- à l’atome
• L’électron :L’e- appartient à l’atome (grain constitutif de la matière)
U t hé ti t tit é d’1 t d l t t à l iUn atome : schématiquement constitué d’1 noyau, autour duquel tournent un à plusieurs électrons (charge <0)
Noyau constitué de particules : protons (charge >0) et de neutrons (charge neutre) (appelées encore nucléons)(appelées encore nucléons)
Chaque e- a une probabilité de se trouver à tel ou tel endroit du noyau : nuage électronique
particule Charge électrique (C) Masse (kg)
Él t 9 10953 10 31Électron -e me=9.10953 10-31
Neutron 0 mn=1.67495 10-27
1 6021891 10 19 C
proton +e mp=1.67265 10-27
C. Algani 12
e = 1.6021891 10-19 C
ELE101composants électroniquesConstitution de la matière : de l’e- à l’atome
• L’atome isolé :Chaque atome comporte de 1 (hydrogène) à Z e- : Z est le nombre atomique (table de Mendeleïv) :
C. Algani 13
ELE101composants électroniquesConstitution de la matière : de l’e- à l’atome
• L’atome isolé :Répartition des e- sur différentes couches discrètes correspondant aux états électroniques en
s’éloignant du noyau :s éloignant du noyau :
couche K L M N O P Q
Sous- 1s 2s,2p 3s,3p,3 4s,4p,4 5s,5p,5 6s,6p,6 7s,7pSouscouches
1s 2s,2p 3s,3p,3d
4s,4p,4d,4f
5s,5p,5d,5f,5g
6s,6p,6d,6f
7s,7p
Nbre d’e- 2 8 18 32 32 18 8
Propriétés chimiques et électriques des atomes déterminées par l’arrangement des électrons sur la couche externe (couche de Valence)
Permettent de ‘lier’ les atomes entre eux régulièrement pour constituer la matière
Participent à la conduction des matériaux conducteurs et SC en se comportant comme des particules quasi-libres
Les e- se rangent sur les sous-couches par ordre croissant :
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, etc…
Ex : Helium (He) : 2 e- couche K remplie
C. Algani 14
Ex : Helium (He) : 2 e couche K remplie
Sodium (Na) : 11 e- K2 , L8 et M1 (couche M partiellement remplie)
Silicium (Si) : 14 e- K2 , L8 et M4 (couche M partiellement remplie)
ELE101composants électroniquesConstitution de la matière : de l’atome au cristal
• Le solide :Les états électroniques sont très nombreux :
Ils ne sont plus discretsIls ne sont plus discrets
Ils se mélangent entre eux en 1 étendue continue d’états possibles : bandes électroniques
Théorie des bandes d’énergie : théorie physique qui examine le comportement des e- dans un solideun solide
2 bandes, séparées par la bande interdite ou gap, sont distinguées :
Bande de valence : basse énergie, dernière bande contenant les e-
B d d d ti h t é i iè b d id d’Bande de conduction : haute énergie, première bande vide d’e-
Le mélange s’opère lorsqu’on rapproche les atomes :
Energie Distance interatomiqueg
BC
Distance interatomique d’équilibre du cristal
BI
Couche de valence
EG
C. Algani 15Distance interatomique
BV
ELE101composants électroniquesConstitution de la matière : de l’atome au cristal
• Le solide : structure cristallineAtomes rangés aux nœuds d’un réseau périodique :
Ensemble ordonné de noyaux et d’e- liés entre eux par des forces coulombiennesEnsemble ordonné de noyaux et d e liés entre eux par des forces coulombiennes
Répétition infinie de motifs élémentaires dans l‘espace : arrangement périodique
Motif élémentaire = 1 atome ou ensemble plus complexe
St t é i di i t l défi i à ti d’1 é t d’1 tifStructure périodique : cristal défini à partir d’1 réseau et d’1 motif
Différentes familles de réseaux à 3 dimensions (fonction des longueur et angle de la cellule élémentaire) :
T i li i li i tét l h l t i lTriclinique, monoclinique, tétragonale, hexagonale, trigonale
Cubique : simple, centré et à faces centrées système de cristallisation de la grande majorité des Semiconducteurs
CS CC CFC
C. Algani 16
CS CC CFC
ELE101composants électroniquesConstitution de la matière : de l’atome au cristal
• Le solide : structure cristallineDifférentes familles de réseaux à 2 dimensions
Monoclinique
Orthorombique
Tétragonal ou quadratiqueTétragonal ou quadratique
hexagonal
C. Algani 17
ELE101composants électroniquesConstitution de la matière : de l’atome au cristal
• Le solide :• Le solide :e- des couches internes associés au noyau : ion >0
e- périphériques : e- quasi-libres
4 familles de structures cristallisées :
Cristaux ioniques : isolants, association d’ions électropositifs avec 1 seul e- périphérique et d’ions électronégatifs avec 7 e- périphériques
L’e- se fixe fortement avec les 7 autres ils ne peuvent se mouvoir dans le matériau : ISOLANT
Cristaux covalents : construits avec des éléments de la colonne IV (C, Si, Ge, Sn)
Éléments à 4 e- périphériques, mis en commun avec 4 voisins pour établir des liaisons covalentesp p q p
e- de valences liés avec une E de liaison plus faible que dans les cristaux ioniques
E liaison importante (C) : ISOLANT
E liaison nulle (Sn) : CONDUCTEURE liaison nulle (Sn) : CONDUCTEUR
E liaison intermédiaire (Si et Ge) : SEMICONDUCTEUR
Métaux : construits avec des éléments électropositifs (1 seul e- périphérique)
e- périphérique libéré dans le cristal : CONDUCTEUR
Liaisons entre atomes plus faibles que dans les cristaux précédents
Cristaux moléculaires : construits avec des molécules et non des atomes :
C. Algani 18
fortes liaisons entre atomes (à l’intérieur d’1 molécule) mais faibles liaisons entre molécules.
ELE101composants électroniquesPlan
Composants ElectroniquesComposants Electroniques
• Introduction
C tit ti d l tiè d l’él t à l’ t d l’ t i t l• Constitution de la matière : de l’électron à l’atome, de l’atome au cristal
• Les matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Semiconducteurs à l’équilibreSemiconducteurs à l équilibre
• Dynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
• Dispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonction
• Dispositifs élémentaires : transistor bipolaire
• Dispositifs élémentaires : jonctions MS et MIS
• Di itif élé t i t i t à ff t d h• Dispositifs élémentaires : transistor à effet de champ
• Dispositifs optoélectroniques
• Futur : nanoélectronique
C. AlganiC. Algani 19
q
ELE101composants électroniquesLes matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Diagramme des bandes d’énergie :g gEnergie
BC
Distance interatomique d’équilibre du cristal
Eg Energie du gap
BC
BI EG
Distance interatomique
BVCouche de valence
Eg détermine la nature du matériau :
Distance interatomique
e- présents dans la BV peuvent accéder à la BC si une énergie suffisante leur est communiquée
( ≥ Eg ) apport d’1 E sous différentes formes
(agitation thermique, champ électrique, illumination par photons, etc…)
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ELE101composants électroniquesLes matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Diagramme des bandes d’énergie : différences fondamentales entre matériaux
BC
E BC
BV
EG
BV
EG
BVBC
Eg détermine la nature du matériau :
ISOLANT SC CONDUCTEUR
ISOLANT : Eg élevé ( ≥ 5eV) BV pleine : les e- ne peuvent passer dans la BC
CONDUCTEUR : Eg quasi nulle BV et BC partiellement pleines meilleure conduction si occupation proche de 50% dans les bandes
SC : Eg faible ( ≤ 3.5eV) à T=0K BV pleine, BC vide
Si T , des e- excités par l’agitation thermique passent dans la BC Conductivité du matériau < métal
Création d’un trou dans la BV correspondant à la place libérée
C. Algani 21
p p
Eg (T)
ELE101composants électroniquesLes matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Structure des bandes d’énergie dans les semiconducteurs
Si Ge
GaAs InP
C. Algani 22
Représentation entre l’énergie de l’e- et son vecteur k dans une direction cristallographique du réseau
ELE101composants électroniquesLes matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Structure des bandes d’énergie dans les semiconducteurs : gaps direct et indirectSi minimum de BC et maximum de BV sont situés au même point de l’espace des k gap direct
G A G N G Sb I P I A CdTGaAs, GaN, GaSb, InP, InAs, CdTe,
Sinon gap indirect
C, Si, SiC, Ge, GaP, AlAs
C. Algani 23
ELE101composants électroniquesLes matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Structure des bandes d’énergie dans les semiconducteurs : gaps direct et indirectL’énergie de Eg correspond à la longueur d’onde d’un photon (dépend du matériau)
C. Algani 24
ELE101composants électroniquesPlan
Composants ElectroniquesComposants Electroniques
• Introduction
C tit ti d l tiè d l’él t à l’ t d l’ t i t l• Constitution de la matière : de l’électron à l’atome, de l’atome au cristal
• Les matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Semiconducteurs à l’équilibreSemiconducteurs à l équilibre
• Dynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
• Dispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonction
• Dispositifs élémentaires : transistor bipolaire
• Dispositifs élémentaires : jonctions MS et MIS
• Di itif élé t i t i t à ff t d h• Dispositifs élémentaires : transistor à effet de champ
• Dispositifs optoélectroniques
• Futur : nanoélectronique
C. AlganiC. Algani 25
q
ELE101composants électroniquesSemiconducteurs à l’équilibre
• Trou et électron : charge et masse effectiveL’e- est une particule quasi-libre dans le réseau cristallin de charge –e et ayant une masse effective
L t t éé l ’ d l BV d l BC l idè ti lLe trou est créé lorsqu’un e- passe de la BV dans la BC on le considère comme une particule quasi-libre qui se déplace dans le sens inverse des e- : charge +e et masse effective associée
• Densité d’états au voisinage de l’extremum d’une bande3/22⎛ ⎞
3/22⎛ ⎞BC : BV :
• Fonction de Fermi
( ) ( )1/2CC C2 2
2 m1N E = E - E2π
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
( ) ( )1/2V
V V2 2
2 m1N E = E - E2π
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠
Fonction de FermiProbabilité d’occupation d’un niveau d’énergie E
par 1 e- à la température T :
( )( )( )n
F
1f E = 1 + e xp E - E / kT
Probabilité de non occupation d’un niveau d’énergie E par 1 e- est 1-f(E) proba d’occupation d’un trou :
( ) ( ) 11 f E = f E =
fn(E)
fp(E)1
T=0
Ni d F i E
( ) ( )( )( )n p
F
1 - f E = f E = 1 + e xp E - E / kT−
1
1/2 T>0
C. Algani 26
Niveau de Fermi EF :
délimite les états occupés des états videsEF
E
ELE101composants électroniquesSemiconducteurs à l’équilibre
• Nombre d’e- d’énergie E dans le SC :
( ) ( ) ( )n E = N E . f E
• Nombre de t d’énergie E dans le SC :
( ) ( ) ( )C nn E N E . f E
1
NV(E) NC(E)
fn(E) fp(E)
• Densité d’e- dans la BC :
( ) ( ) ( )V pp E = N E . f E
En(E)
EF
p(E) npECEVDensité d e dans la BC :
( )C
+
En = n E . d E
∞
∫F CV
• Densité de t dans la BV :
( )VEp = p E d E∫
• En général niveau de Fermi situé dans la BI semiconducteur non dégénéré
( )-
p p E . d E∞∫
C. Algani 27
• Si EF situé dans une bande permise (BV ou BC) semiconducteur dégénéré
ELE101composants électroniquesSemiconducteurs à l’équilibre
• SC non dégénéré :EF distant de EV et EC de plusieurs kT
( ) ( )( )( ) ( )( )
n F
p F
f E e xp E - E / kT
f E e xp E - E / kT
≈ −
≈
( )( ) ( ) ( )( )C
+
C C F C C CEn = N . e xp E - E / kT N = N E . e xp E - E / kT . d E
∞− −∫
( ) ( )( )p F
Après intégration :
( )( ) ( ) ( )( )VE
V V F V V Vp = N . e xp E - E / kT N = N E . e xp E - E / kT . d E
−∞∫
3/2 3/2 3/2⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ∝⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠
C C1 9 - 3 1 8 1 9C 2
0
2 m k T m TN = 2 = 2 . 5 . 1 0 c m 1 0 à 1 0 s e l o n l e S Cm 3 0 0h
3/2 3/2 3/2⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ∝⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠
V V1 9 - 3 1 9V 2
0
2 m k T m TN = 2 = 2 . 5 . 1 0 c m 1 0m 3 0 0h
( )N N E / kT
SC dégénére :
n change avec l’emplacement de E dans la bande permise
( )C V Gn p = N . N . e xp E / kT−
C. Algani 28
n change avec l emplacement de EF dans la bande permise
ELE101composants électroniquesSemiconducteurs à l’équilibre
• SC intrinsèque :
SC dépourvu de toute impureté pouvant modifier la densité des porteurs les e- de la BC n’existent que par l’excitation thermique des e- liés à la BV paires e-/trou
n = p = ni = densité de porteurs intrinsèques (caractéristique du SC à T donnée) ( )i C V Gn = N . N . e xp E / 2 kT−
i
Niveau de fermi : voisin du milieu du gap à T° ambiante :
( )
2C V
F i
E + EE =
• SC extrinsèque :Dopage contrôlé du SC avec des atomes spécifiques modification des propriétés électriques du SC
Introduction d’un atome dans le réseau cristallin :
Ex : Si –colonne IV As – colonne V ou Ga – colonne III remplace un atome de Si
Si(14) : K2, L8, M4
As(33) : K2, L8, M4, N5 : donne 1 e- au réseau cristallin Donneur
Ga(31) : K2, L8, M4, N3 : accepte 1 e- et crée un trou libre dans le réseau cristallin Accepteur
C. AlganiC. Algani 29
ELE101composants électroniquesSemiconducteurs à l’équilibre
• SC extrinsèque :Na = densité d’accepteurs et Nd = densité de donneurs dans le SC matériau neutre
Equation de neutralité électriqueEquation de neutralité électrique
• 3 types de SC :SC semi-isolant : SC intrinsèque (n’existe pas car contient toujours des impuretés)
a dn + N = p + N
on dope le SC pour compenser ces impuretés tq :
SC de type n : SC dopé + fortement avec des donneurs que des accepteurs :
e = porteurs majoritaires trous = porteurs minoritaires
a dN = N n = p⇒
N < N n > p⇒e- = porteurs majoritaires, trous = porteurs minoritaires
E ti N N t (N N )
( )2 2d a i
n - N - N . n - n = 0
a dN < N n > p⇒
( ) ( )2En pratique : Na, Nd et (Nd – Na) > ni
SC de type p : SC dopé + fortement avec des accepteurs que des donneurs :
tro s = porte rs majoritaires e = porte rs minoritaires
( ) ( )2d a i d a
n N - N e t p n / N - N≈ ≈
N > N n < p⇒trous = porteurs majoritaires, e- = porteurs minoritaires
En pratique : N N et (N N ) > n ( ) ( )2p N N e t n n / N N≈ ≈
a dN N n p⇒
( )2 2a d i
p - N - N . p - n = 0
C. Algani 30
En pratique : Na, Nd et (Na – Nd) > ni ( ) ( )a d i a dp N - N e t n n / N - N≈ ≈
ELE101composants électroniquesSemiconducteurs à l’équilibre
• Densité d’e- :
1
NV(E) NC(E)
• SC intrinsèque :
E
1
n(E)p(E) np
fn(E) fp(E)
• SC extrinsèque type N :
EF ECEV
1
NV(E) NC(E)
f (E) f (E) SC extrinsèque type N :
En(E)p(E) n
p
fn(E) fp(E)
SC t i è t P
EF ECEV
1
NV(E) NC(E)
• SC extrinsèque type P :
E
1
n(E)p(E)np
fn(E) fp(E)
C. Algani 31
EEF
npECEV
ELE101composants électroniquesSemiconducteurs à l’équilibre
• SC extrinsèque :
TYPE N TYPE P
Semiconducteur Si Ge GaAs InP
Donneurs As, P, Sb As, P, Sb, Bi, Li S, Se, Si, Ge, S, Si, Sn, GeDonneurs As, P, Sb As, P, Sb, Bi, Li S, Se, Si, Ge, Sn, Te
S, Si, Sn, Ge
Accepteurs Al, B, Ga, In Al, B, Ga, In, Tl C, Si, Ge, Zn, Sn
C, Hg, Zn, Cd, Si, Cn, Be, Mg,
C. Algani 32
, , , g,Ge, Mn
ELE101composants électroniquesSemiconducteurs à l’équilibre
• Niveaux de Fermi :
SC semi isolant : C V E + E
E =SC semi-isolant :
SC de type n :
F iE =
2
( ) ( )( ) ( )( )d a C C F n F n C C d an = N - N = N . e xp E - E / kT E = E - kT . l o g N / N - N −
SC de type p : ( ) ( )( ) ( )( )a d V V F p F p V V a dp = N - N = N . e xp E - E / kT E = E - kT . l o g N / N - N
Le niveau de Fermi se rapproche de la bande permise des majoritaires
BC BC BC
EG
BC
EF
- - - - - - - - BC
EFi
- - - - - - - - - - -EFn
BC
EFi
- - - - -
BV+ + + + + + BV+ + + + BV+ + + + + + + + EFp
C. Algani 33
SEMI - ISOLANT Type n Type p
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Composants ElectroniquesComposants Electroniques
• Introduction
C tit ti d l tiè d l’él t à l’ t d l’ t i t l• Constitution de la matière : de l’électron à l’atome, de l’atome au cristal
• Les matériaux : isolant, conducteur, semiconducteur
• Semiconducteurs à l’équilibreSemiconducteurs à l équilibre
• Dynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
• Dispositifs élémentaires : jonctions pn, pin et hétérojonction
• Dispositifs élémentaires : transistor bipolaire
• Dispositifs élémentaires : jonctions MS et MIS
• Di itif élé t i t i t à ff t d h• Dispositifs élémentaires : transistor à effet de champ
• Dispositifs optoélectroniques
• Futur : nanoélectronique
C. AlganiC. Algani 34
q
ELE101composants électroniquesDynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
Porteurs soumis à une force déplacement et création d’un courant
2 types de force : champ électrique (conduction) ou gradient de concentration (diffusion)
• Courant de conduction :Force soumise aux porteurs :
Déplacement des porteurs à la vitesse :
E F = q E⇒E + EDéplacement des porteurs à la vitesse :
µ=eτ/m* = mobilité des porteurs (cm2.V-1.s-1) et τ = temps de relaxation des porteurs
µ mesure l’aptitude des porteurs à se déplacer dans le réseau cristallin
. .n n p p
v = - µ E v = + µ E
Génération d’un courant de conduction par le déplacement des porteurs :
Densité de courant = nbre de chargesn n n p p pJ = - n e v = n e µ E J = + p e v = p e µ E⎫
⎪ Densité de courant = nbre de charges
par unité de surface et de temps
n n n p p p
C n p n pJ = J + J =σ E σ = n e µ + p e µ
⎪⎬⎪⎭
σ = 1/ρ = conductivité du matériau ( en S/m); n et p = densités de porteurs (cm-3)
µn > µp car e- plus légers que trous : µ ↑ lorsque T↓ dans le matériau
SC intrinsèque : n = p = n σ = e n (µ + µ )
C. Algani 35
SC intrinsèque : n = p = ni σ = e.ni.(µn + µp)
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• Courant de conduction :
qτμ = qτμ =n *e
μm p *
t
μ =m
Mobilité à T = 300 K (cm2V-1s-1)électrons libres trous
Ge 3900 1900
Si 1450 450
GaAs 8500 400
InP 4600 150
InSb 78000 750
InAs 33000 460
C. Algani 36
InAs 33000 460
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• Vitesse de dérive des porteurs en fonction du champ électrique :
C. Algani 37
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• Loi d’ohm microscopique :En intégrant sur un barreau de longueur ℓ et de section S :
. .E = ρ J V = R I. .V = E I = J S R = ρ
S2 2J P R I• Loi de joule microscopique :En intégrant sur un barreau de longueur ℓ et de section S :
Pd est la puissance dissipée
. .2 2d d
p = ρ J P = R I
. . .d d
P = p S I = J S R = ρS
d p p
• Courant de diffusion :Si distribution non uniforme des porteurs libres dans le SC ils diffusent dans la direction de plus faible
concentration :concentration :
Nombre de porteurs qui diffusent par seconde et unité de
surface dans la direction x ou à 3 dimensions :
. . ⎫⎧ ∇ ⎪⎪⎪⎪
⎨ ⎬⎪ ⎪
d n d n
d nn = - D n = - D nd x
dDn et Dp sont les constantes de diffusion
Les courants de diffusion :
j = e D n j = - e D p j = j j∇ ∇ +
. .⎪ ⎪
∇⎪ ⎪⎩ ⎭d p d p
d pp = - D p = - D p
d x
• Courants totaux :
. .d n n d p p d t o t d n d p
j e D n j - e D p j j j∇ ∇ +
. .j = n e µ E + e D n j = p e µ E - e D p∇ ∇
C. Algani 38
. .n n n p p p
j e µ e j p e µ e p∇ ∇
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• Relation d’Einstein :D et µ traduisent l’aptitude des porteurs à se déplacer dans le réseau cristallin elles sont reliées par
l’équation : pDD kTl équation :
• Courant de déplacement :
pn
n p
kT = = µ µ e
E∂Existe en régime alternatif très faible, sauf pour les fréquences >
Microondes
• Génération-recombinaison :
j tD 0
Ej = = j E et
ωε ω ε∂∂
Génération-recombinaison :g = génération de porteurs = nbre de porteurs créés / u. volume et temps (cm-3.s-1) par une source externe
(excitation optique, irradiation par des particules, champ électrique…)
é é ti th i d t b d t éé / l t t ( 3 1) t égth = génération thermique de porteurs = nbre de porteurs créés / u. volume et temps (cm-3.s-1) : spontanée par agitation thermique
r’ = recombinaison de porteurs excédentaires = nbre de porteurs disparus / u. volume et temps (cm-3.s-1) propre au matériaupropre au matériau
Variation du nbre de porteurs/u. volume et temps :t h
d n = g - r = g + g - r 'd t
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
C. AlganiC. Algani 39
g rd t⎝ ⎠
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• Taux de recombinaison r :Résulte de 2 types de recombinaisons :
bi i di t él t t ( b bilité f ibl )n p
r ' = r ' = r ' = K n p' K- recombinaison directe électron-trou (probabilité faible) :
Équilibre thermodynamique (absence de source externe) :
Hors équilibre :
n p t h t hr = r = r = r ' - g = K n p - g
( )20 0 i
r = K n p - n = 0
( )( )( )+Δ +Δ 20 0 i
r = K n n p p - n BCNeutralité électrique ∆n=∆p ( ) ( ). .+ +Δ Δ + +Δ Δ
0 0 0 0r = K n p n n = K n p p p
ΔpΔnr = =
( )( )( ) BC
- +Eri
τ n et τp = durée de vie des porteurs
- recombinaison assistée par centres de recombinaisons (impuretés) : 1 impureté piège 1 e- (trou) qui attire 1
n p
r τ τ
BV
trou (e-) par attraction coulombienne
Selon la nature du SC, le taux de recombinaison varie :2i
p n - n C = c o e f f i c i e n t d e c a p t u r e ,1 1r = τ =- SC non dopé :
- SC dopé :
.m
Rm i R
dd m 0
r = τ = N = d e n s i t é d e c e n t r e s d e r e c o m b .τ 2 n + p + n C NΔp 1 1 1 1r = = + τ = , r e c o m b . d i r e c t e sτ τ τ τ K n
C. Algani 40
- SC dépeuplé :i
m
nr = -
2 τ
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• Equation de continuité :Variation du nombre de porteurs / u de temps dans un volume 1.dx :
j∂n x
n n
jn 1 = + g - rt e x
j
∂∂∂ ∂
∂
Jx Jx + dx
S=1
E idé t té i d é t l t d d ti t d diff i bti t
p x
p p
j1 = - + g - rt e xp ∂∂
∂ ∂dx
En considérant un matériau dopé et les courants de conduction et de diffusion, on obtient :
20
n n n n2
n - nn E n n = n µ + µ E + D + g - t x x τ
∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂ ∂ ∂
2
n n n n2n
0
p p p p2
t x x τx
p - pp p pE = - p µ - µ E + D + g - t x x τ
∂ ∂ ∂ ∂
∂ ∂ ∂∂∂ ∂ ∂ ∂p p p p2
pt x x τx∂ ∂ ∂ ∂
C. AlganiC. Algani 41
ELE101composants électroniquesDynamique des électrons : Semiconducteurs hors équilibre
• Longueur de diffusion :Soit un SC type p, excité en surface par un rayonnement peu pénétrant création à la surface d’un excès
∆n de paires e-trou diffusion de ces e- vers l’intérieur du barreau∆n de paires e trou diffusion de ces e vers l intérieur du barreau
Création d’un courant de diffusion :
n x n
nj = e D x
∂∂
hν ∆n=0
20
n n2n
n - nn n = D + g - = 0 s i r é g i m e s t a t i o n n a i r et τx
∂ ∂∂ ∂
x∆n0
rayonnement peu pénétrant gn≈ 0
( )2 n n - = 0∂ Δ Δ
n(x)n1 n- x / L
0n = n eΔ Δ
2 2n
n n n p p p
x L
L = D τ e t L = D τ
∂
n0
0
Ln est la longueur de diffusion des e- dans le matériau type pxLn
C. Algani 42
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• Charge d’espace – équation de Poisson :Théorème de Gauss : ρ(x,y,z) = charges d’espace( )
.ρ x , y , z
E = ε
∇
L’intégration de l’équation de poisson permet de calculer la variation de potentiel dans 1 SC à partir de la
( )2
ρ x , y , zV = -
ε∇E = - V∇
charge d’espace
charge d’espace = toutes charges présentes dans le SC = charges mobiles (e-, trous) + charges fixes (donneurs et accepteurs ionisés) :
( )N N +
• Constantes physiques usuelles :
( )d aρ = e N - N + p - n
constantes Boltzmannk = 1.38066 10-23 J/K
Électroniquee = 1.60218 10-19 c
Planckh = 6.62617 10-34 J.s
Vitesse lumièrec = 2.99792 108 m/s
Masses Électron0 91095 10 30 k
Proton1 67264 10 27 km0 = 0.91095 10-30 kg p0 = 1.67264 10-27 kg
conversion 1 eV = 1.60218 10-19 J kT/q = 0.0259 V(300K) 1Ǻ =10-10 mµ0 = 4π10-7 H/m
ε0 = 1/(36π109) H/m
C. Algani 43