1

LES MATERIAUX LES MATERIAUX

SEMICONDUCTEURS SEMICONDUCTEURS

Yves MONTEIL

Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces,UMR 5615

Université Claude Bernard - LYON 1

2

Domaines d’utilisation :Micro-électronique électron (masse)

Transistor

Micro-optoélectronique photon (h = h1/ )

Laser

Pourquoi les matériaux semiconducteurs ?

Microélectronique

Intérêts : petite taille (puce) très faible puissance

3

106

Matériaux semiconducteurs• Qu’est ce qu’un semiconducteur ?

Propriétés électriques intermédiaires entre métal et isolant

ni/cm3

1012

1018

1022 METAUX

ISOLANTS

SEMICONDUCTEURS

N = 6.02 1023

Si Si

Si Si

ni e(-Eg/kT )

4

Si

Eléments Semiconducteurs

II III IV V VI

Bi

Sb

As

P

N

PoPbTlHg

TeSnInCd

SeGeGaZn

SAl

OCB

5

• à partir d’une vingtaine d’éléments voisins de Si dans la classification périodique

-binaires : SiC, GaAs, InP

-ternaires : InGaAs

-quaternaires : InGaAsP

DIFFERENTS SEMICONDUCTEURS

•Silicium , Germanium, Carbone (diamant)

Eléments

Composés ou Alliages:

6

Elaboration du Si électronique

1 – Métallurgie du Si

Sable +Coke Si (l) +Monoxyde de Carbone SiO2 C T C CO(g)

2 – Purification du Si

-Chloration : Si(s) + Cl2(g) SiCl4(g) (Impuretés : Fe, B FeCl3, BCl3 ) Distillation fractionnée-Réduction : SiCl4(g) + (Zn, Mg) Si(s) + (Zn, Mg) Cl2

Evaporation sous vide

Silicium pureté électronique (impuretés : qq ppm ou qq ppb)

-Cristallisation fractionnée ( Si à 98 %)

7

•Solide dans l’état monocristallin

STRUCTURE CRISTALLINE

Système CFC ( Diamant ou Zinc blende)

8 – sommets6 – faces4 – sites tétraédriquesoccupés (1 sur 2)

8

Si monocristallin

Silicium pureté électronique (qq ppm ou qq ppb)

Méthode de tirage

Liquide

Germe

Monocristal

T > C

Liquide

Germe

9

n =3 M

18(4)

                                     

         

niveau électrons

                                  

        

n=1 K

2

1s2

n= 2 L

8

2s2 2p6

3s2

3p2

STRUCTURE ELECTRONIQUE - Si

1 Atome

n Atomes

MODELE DE BANDESO O O

0

10

- - - - - - - - - - - - - -

Bande de conduction (e-)

Bande de valence (trou)

Bande Interdite

Energie + + + + + + + + + +

E gap

0 Kelvin : Bande de valence pleine Bande de conduction vide

Cristal parfait

Modèle des bandes

T (°K) : Remplissage de la bande de conduction dépend de la valeur de E gap :

Métaux : bande de conduction pleine

Isolant : Bande de valence pleine

Semiconducteurs : Intermédiaire

11

Dopage de Si : type N

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - -

E gap

Si °P

Si Si

P° P+ + 1e -

Substitution d’atome : Si par P

Type N

---P+ P+ P+ P+ P+ P+Bande de conduction

Bande de valence

Bande interdite (aux e- de Si)

E

E

12

Dopage Si : type P

+ + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - - -

E gap

Si °B

Si Si

trou

Substitution d’un atome :Si par P

B* B- + trou

B*+e- B-

---B- B- B- B- B- B- B-B- B- B- B- B- B- B-

Bande interdite (aux e- de Si)

Bande de conduction

Bande de valence

E

E

13

Dispositifs électroniquesLes matériaux S. C. Dispositif /composant

qq mqq 1/10mm

Couche active

Substrat

SUBSTRAT : Croissance monocristalline souvent en phase liquide

COUCHE ACTIVE : Epitaxie sur le substrat monocristallin souvent en phase gazeuse

14

L’épitaxie, empilement des atomes les uns sur les autres en conservant l’ordre sous-jacent : couche mince monocristalline sur un substrat monocristallin de même paramètre de maille (différence acceptable qques 10-3 )Empilement simultané d’atomes semiconducteurs et d’atomes d’impuretés ou dopants

Elaboration de la couche active

15

Dispositif électronique de base

Le transistor (transfer resistor)  est le dispositif électronique le plus simple

Un composant bipolaire car les électrons et les trous participent simultanément  aux phénomènes de conduction.

3 couches semiconductrices1 – émetteur (couche dopée N)2 – base (couche dopée P)3 – collecteur (couche dopée N)

Transistor NPN

16

DISPOSITIF SiCDISPOSITIF SiC

SUBSTRAT EPITAXIE DISPOSITIF

Technologie

SiC N+

SiC N-

SYSTEME

Diode SCHOTTKY