1 les materiaux semiconducteurs yves monteil laboratoire des multimatériaux et interfaces,umr 5615...

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LES MATERIAUX LES MATERIAUX

SEMICONDUCTEURS SEMICONDUCTEURS

Yves MONTEIL

Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces,UMR 5615

Université Claude Bernard - LYON 1

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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

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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 )

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Si

Eléments Semiconducteurs

II III IV V VI

Bi

Sb

As

P

N

PoPbTlHg

TeSnInCd

SeGeGaZn

SAl

OCB

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• 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:

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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 %)

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•Solide dans l’état monocristallin

STRUCTURE CRISTALLINE

Système CFC ( Diamant ou Zinc blende)

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

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Si monocristallin

Silicium pureté électronique (qq ppm ou qq ppb)

Méthode de tirage

Liquide

Germe

Monocristal

T > C

Liquide

Germe

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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DISPOSITIF SiCDISPOSITIF SiC

SUBSTRAT EPITAXIE DISPOSITIF

Technologie

SiC N+

SiC N-

SYSTEME

Diode SCHOTTKY