Semiconducteurs Propriétés – Jonction p-n. 2 Historique .
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Semiconducteurs
Propriétés – Jonction p-n
2
Historique
http://www.pbs.org/transistor/index.html
3
Liaisons dans les solides
Solides cristallins• Solide = arrangement périodique d’atomes• Réseaux cristallins: minéralogie• 1912 (Laue): diffraction des rayons X
Liaison métallique• Ions positifs• Gaz d’électrons libres entre les ions
- annule la répulsion entre les ions- grande mobilité haute conductivité électrique
Max von Laue1879-1960
4
Liaisons dans les solides (2)
Liaison ionique (ex. NaCl)• Atomes complètement ionisés
- Na donne un e- à Cl Na+, Cl-
• Cohésion: électrostatique• Très peu d’ e- libres: conductivité très basse
Laison covalente• 2 atomes voisins mettent 2 électrons en commun• But: 8 e- sur la dernière couche
5
Structure du silicium
Structure diamant• 2 x cubique à faces centrées (fcc)• Chaque atome: 4 voisins
- Tétraèdre
4 Liaisons• Chaque atome donne 1 e-
• 2 e- par liaison
Paramètre de maille: a
Si 5,43 Å
Ge 5,65 Å
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Semiconducteurs III-V
Structure cristalline• 1 réseau: atomes du groupe III
- Ga, Al, In• 1 réseau: atomes du groupe V
- N, P, As, Sb• Structure: zinc-blende
- Ex. GaAs, AlAs, InAs, InP, GaN 4 liaisons
• Atome du groupe III: 3/4 d’e-
• Atome du groupe V: 5/4 d’e- Total: 2 e-
Composés ternaires• 2 types d’atomes du groupe III (Ga1-xAlxAs, GaInP, …)
7
Bande interdite (gap)
Écart minimum entre• bande de valence• bande de conduction
Gap• Direct (même )• Indirect ( différents)
k
k
8
Création de paires électron-trou
Si T > 0• e- passent de la bv à la bc• Apparition d’e- libres
(conduction)• Apparition de trous dans la bv
Concentrations• n (e- / cm3) = p (trous / cm3) = ni
• paire électron-trou (semiconducteur intrinsèque)
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Nombre de paires
Création• favorisée par la température
Recombinaison• libération d’énergie en
- chaleur- émission de photons
• fonction de- température- nombre de paires
Nombre total
32
10 3 -23
exp constante de Boltzmann2
à 300K, 10 = 1.3806210 /
gi B
B
i
En AT k
k Tn cm J K
10
Conductivité des semiconducteurs
Sous l’effet de E• déplacement des e- dans
le sens opposé à E• déplacement des trous
dans la direction de E
Vitesse de dérive
Densité de courant
- = mobilité des e
= mobilité des trousd e e
d t t
v E
v E
e tj ne pe E
Semi. intrinsèque: e t ij n eE
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Semiconducteurs extrinsèques - dopés n
Eléments du groupe V• As, Sb, P• 5 électrons de valence• 1 e- excédentaire
conduction
Dopage = introduction dedonneurs• 1014 – 1019 atomes/cm3
• petit par rapport au Si (1022)
• grand par rapport à ni
• Conduction majoritaire: par les e-
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Eléments du groupe III• B, In, Ga• 3 électrons de valence• 1 e- manquant
trou excédentaire
Dopage = introduction d’accepteurs• 1014 – 1019 atomes/cm3
• Conduction majoritaire: par les trous
Semiconducteurs extrinsèques - dopés p
13
Conductivité des semiconducteurs dopés
A très basse température• impuretés non ionisées• conductivité <<
-273 - 100°C• ionisation rapide des impuretés
(énergie meV)• augmente
-100 +150°C• conductivité de type métallique
> 150°C• création de paires e- - trous (mode intrinsèque)
e tne pe
14
Résistivité en fonction du dopage
A T° ambiante, toutes les impuretés ionisées
En pratique• n ~ 1014 – 1019 cm-3
• Si intrinsèque rare
type ntype p
e
t
nepe
proportionnelle à n
15
Jonction p-n à l’équilibre
Jonction• Na = concentration d’accepteurs dans p
• Nd = concentration de donneurs dans n
Concentrations de charges
• chaque partie est électriquement neutre
Zone p Zone n
Na ions négatifs – Nd ions positifs +
pp trous ( Na) + nn électrons ( Nd) –
np électrons – pn trous +
Porteurs majoritaires
Porteurs minoritaires
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Mise en contact
Diffusion• e- de n vers p• trous de p vers n• courant de porteurs majoritaires: I1
Equilibre des charges rompu• recombinaison des e-
et des trous• charges des ions
plus compensées• zone de déplétion
- pas de charge libre- champ E
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Mise en contact (2)
Champ E grandit• freine la diffusion• nouvel équilibre atteint
Porteurs minoritaires(des paires e- - trou)• sont accélérés par E• nouveau courant I2: courant de dérive
(de n vers p)• principalement fonction du nombre de porteurs
fonction de la T° Equilibre
• I1 = - I2
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Potentiel à l’équilibre
Potentiel de diffusionV0: barrière de potentiel
Energie potentielle des e-
Ep = -eV
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Polarisation de la jonction
• barrière rehaussée• courant majoritaire diminue• courant minoritaire augmente peu sens bloquant
• barrière abaissée• courant majoritaire augmente• courant minoritaire diminue peu sens passant
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Diode: courbe I / V
Diode
Convention• V positif si + sur anode
et – sur cathode• I positif si passe de cathode
vers l’anode par l’extérieur
Equation caractéristique
0 exp 1
B
eVI I
k T
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Photodétecteurs
Principes - Applications
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Photodiode p-n
Principe• jonction p-n polarisée
dans le sens bloquant• couche supérieure
mince jonction exposée à la lumière
Action des photons
• création de paires e- - trous si E > Eg
g
hcE
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Courant inverse
Paires dans la zone de déplétion• e- accélérés vers zone n• trous accélérés vers p courant inverse augmente
proportionnellement au nombre de photons
Paires dans la zone p (ou n)• e- et trous diffusent aléatoirement• la plupart se recombinent• éventuellement, la diffusion les
amènent vers la zone de déplétion problème: retard
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Temps de réponse
Paires e--trou créées dans la zone de charge d’espace• très rapidement accélérées• réponse quasi-immédiate
Zone très mince• beaucoup de paires créées
en-dehors• beaucoup de retard temps de réponse long (µs)
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Photodiodes PIN
Principe• augmenter l’épaisseur de la
zone de charge d’espace• intercaler une couche de
semiconducteur intrinsèque• transfert rapide des charges temps de réponse court (ns)
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Calcul du temps de réponse
Mouvement des charges dans la zone intrinsèque• d = 15 µm
• µp (trous): 350 cm2/ V.s
• µn (e-): 1500 cm2/ V.s
Vitesse de dérive (des trous)2 1 1
4
6
10350
15 102,3 10 /
d p p
V Vv µ E µ cmV s
d cmcm s
0,6d
dns
v
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Capacité de jonction
Accumulation de charges• + du côté n• - du côté p• équivalent à un C de qques pf
Schéma équivalent• Cd en // sur diode
• réduit le courant externe, d’un facteur si 1
2dCd
X R RfC
1 2
3
12dB
d
fRC
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Réponse spectrale
Sensibilité
Dépend de • augmente avec (plus de photons par watt)
• limite: < hc / Eg
- visible, IR proche: Si- IR: InGaAs
• mais: courant noir ~
/sd
o
IS A W
P
gE
kTe
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Photodiode à avalanche
Principe• très grand champ
charges peuvent créer des paires e- - trou
• V extérieur très élevé (500 V)
Solution: séparer • zone d’absorption ( épaisse)• zone de multiplication ( mince)
- champ avec V faible
Caractéristiques• sensibilité >> diode PIN• réponse: 100 ps
E))))))))))))))
E))))))))))))))
30
Cellule photovoltaïque
Principe• photodiode ordinaire• pas de polarisation
• V = V0 0,5 V (Si)
Utilisation
p
n
R
+
-
i