semi-conducteurs

7/27/2019 semi-conducteurs

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIREMINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR

ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUEUNIVERSITE ABOU BEKR BELKAID-TLEMCEN

FACULTE DES SCIENCES

UNITE DE RECHERCHE

MATERIAUX ET ENERGIES RENOUVELABLES

THESE DE MAGISTER

EN

PHYSIQUE ENERGETIQUE ET MATERIAUX

prsente par :

Mme BENAHMED BENABDALLAH Nadia

Soutenue en Juillet 2006 devant la commission dexamen :

Mr N. CHABANE-SARI Professeur luniversit de Tlemcen Prsident

Mr B. BENYOUCEF Professeur luniversit de Tlemcen Directeur de Thse

Mr G. MERAD Professeur luniversit de Tlemcen Examinateur

Mr

K. GHAFFOUR Matre de Confrences luniv. de Tlemcen Examinateur

Mr

A. CHERMITTI Matre de Confrences luniv. de Tlemcen Examinateur

Proprits physiques des semi-conducteurs

(Si monocristallin et Ge) et Simulation des cellules

solaires base de Si et SiGe


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Remerciements

Je remercie ALLAH le Tout-puissant de mavoir donner le courage, la

volont et la patience de mener terme ce prsent travail.

Ce travail a t effectu dans lUnit de Recherche des Matriaux et des

Energies Renouvelables (URMER) de la facult des sciences, sous la direction de

monsieur B. BENYOUCEF, Professeur lUniversit Abou Bekr Belkad-Tlemcen. Je lui exprime particulirement toutes mes reconnaissances pour mavoir

fait bnficier de ces comptences scientifiques, ses qualits humaines et sa

constante disponibilit.

Jexprime mes sincres remerciements monsieur N. CHABANE SARI,

Professeur lUniversit Abou-bekr Belkad Tlemcen, davoir accepter de prsider

le Jury de cette thse.

Je remercie sincrement monsieur G. MERAD Professeur lUniversit

Abou Bekr Belkad-Tlemcen et messieurs K. GHAFFOUR et A. CHERMITTI

Matres de confrences lUniversit Abou Bekr Belkad-Tlemcen davoir accepter

de faire partie du Jury.

Enfin, jadresse mes vives reconnaissances tous les membres de

lURMER , spcialement monsieur A. BENYOUCEF sans oublier les

tudiants de Magister.


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Introduction gnrale

1

INTRODUCTION

La conversion photovoltaque utilise le principe de la conversion directe de

lnergie lumineuse en une nergie lectrique, les cellules solaires sont capables deffectuercette transformation. La premire cellule solaire homojonction en silicium a t fabrique

en 1954 aux Laboratoires BELL avec un rendement voisin de 6%. En 1960, ce rendement a

t port une valeur suprieure 10% pour les cellules solaires base de silicium

monocristallin. De nombreux travaux de recherche sur lamlioration du rendement de

conversion ont t publis. Jusqu 1972, les applications des cellules solaires taient

rserves au seul usage cause de leurs prix de revient trs lev et leurs faibles

rendements.

Cependant, il est noter que laugmentation du rendement a t considre plus

dterminante que la rduction du cot, car toute amlioration des performances,

optimisation des paramtres, sapplique directement en pourcentage sur le prix de lnergie

produite.

Dans ce cas, lobjectif essentiel est laccroissement du rendement. Ceci explique et

justifie les recherches concernant ltude des programmes numriques de conception, demodlisation et de simulation. Dans cet objectif, ce travail est abord selon les chapitres

suivants :

Dans un premier chapitre, nous rappelons quelques notions fondamentales

ncessaire des semi-conducteurs. Puis, nous montrons les diffrents types de

recombinaison dans la cellule localiss en surfaces et en volume.

Le deuxime chapitre est consacr ltude des diffrents types de silicium et lestapes suivre pour obtenir du silicium de qualit lectronique. Puis, nous prsentons les

proprits physiques du silicium et du germanium que nous utilisons dans la simulation

numrique.

Dans le troisime chapitre, nous prsentons les proprits gnrales de lalliage Si1-

xGex. Dans lequel nous prsentons quelques notions de base du Si1-xGex ainsi que sa

structure de bande.


4/91

Introduction gnrale

2

Enfin, dans le dernier chapitre, nous dcrivons les diffrentes tapes du logiciel

PC1D, utilis en simulation numrique, et nous donnons quelques exemples numriques de

simulation pour diffrents matriaux. Les rsultats obtenus ainsi sont comments et

Interprts grce aux notions de la caractristique courant tension et de la rponse

spectrale. La matrise du logiciel et des techniques de simulation, nous permettra

davantage dtudier nimporte quelle rgion de la cellule solaire et tous les paramtres

physiques.


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Thorie gnrale des Semi-conducteurs Chapitre I

3

I.1. INTRODUCTION

Actuellement les technologies de circuits intgrs utilisent encore le silicium

comme matriau semiconducteur de base. Le silicium tant un matriau semiconducteur

de largeur de bande interdite moyenne s'adapte bien aux contraintes imposes par les

applications des tempratures normales, soit de 0 100C. A de plus hautes tempratures,

la performance des technologies sur le silicium se dgrade progressivement.

Le silicium fut dcouvert en 1824 par J.J. Berzelius Stockholm, en Sude. C'est,

aprs le carbone, l'lment le plus abondant de la terre, la rpartition tant de 277.000 ppm.

On le trouve gnralement sous forme de silicate dans de nombreuses roches, argiles et

terres. Le silicium est obtenu en rduisant la silice (le sable, SiO2) par le carbone. Une

fusion en zone subsquente donne un lment plus pur pour des applications ncessitant un

silicium de haute puret (par exemple les semi-conducteurs) [1].

Les semi-conducteurs (germanium et silicium) possdent 4 lectrons sur leur

couche priphrique car ils appartiennent la 4me

colonne de la classification priodique

des lments. Il est possible de les produire avec un haut degr de puret (moins de 1 atome

tranger pour 1011atomes de semi-conducteur): on parle alors de S.C. intrinsque [2].

Le germanium est dcouvert par le savant allemand Clemens Winkler le 6 fvrier

1886, il peut tre trouv beaucoup d'endroits, mais en concentrations faibles. Le

germanium a servi de substrat semi-conducteur jusqu'a ce que le silicium prenne sa place,

vers les annes 1970. Aujourd'hui il n'est plus utilis que dans le domaine des hautes

frquences, et pour la ralisation de diodes faible chute (0,3 V environ, application en

dtection) [3].

I.2. STRUCTURES CRISTALLINES

La matire condense peut prendre deux tats solides diffrents, suivant les

conditions dans lesquelles elle s'est forme : un tat dit amorphe, dans lequel la disposition

des atomes est alatoire, ou un tat cristallis, caractris par un arrangement priodique

des atomes. Les solides amorphes sont gnralement appels des verres et considrs

comme des liquides de haute viscosit. Les solides cristalliss peuvent former des

monocristaux, si la priodicit est ininterrompue dans tout le volume, ou des poly-cristaux,

s'il existe une priodicit locale et que le solide est compos d'un ensemble de grains

cristallins de taille peu prs uniforme. Dans la microphotographie de la figure I.1, prise


6/91


4

par TEM (Transmission Electron Microscopy), une vue de coupe du rseau cristallin du

silicium permet d'observer sa priodicit.

Le rsultat est un ensemble ordonn, ou localement ordonn, des noyaux d'atomes

et d'lectrons lis entre eux par des forces principalement coulombiennes. Ces forces sont

plus ou moins importantes suivant l'lectrongativit des lments intervenant dans les

liaisons, ce qui confre aussi des proprits mcaniques et lectriques au solide cristallis

rsultant. On distingue quatre familles de solides cristallins : les cristaux ioniques, les

cristaux covalents, les mtaux et les cristaux molculaires [4].

La structure diamant

Dans la structure diamant chaque atome est entour de 4 plus proches voisins, ce

qui permet de former des liaisons covalentes. Elle peut tre dcrite comme tant forme de

2 structures f.c.c. dplaces lune par rapport `a lautre le long de la diagonale principale.

La position de lorigine de la seconde structure f.c.c. par rapport `a lorigine de la premire

est (1/4, 1/4, 1/4

). Le diamant cristallise dans cette structure, mais aussi le Silicium et leGermanium.

Figure I.1. Microphotographie du rseau cristallin du silicium

prise par TEM


7/91


5

Cette structure est typique des lments de la colonne IV du tableau priodique,

mais aussi des composs III V dans lesquels les sites (0, 0, 0) et (1/4, 1/4, 1/4) sont

occups par diffrents types datomes. On parle dans ce cas de structure Zinc blende [5].

La structure de bande est la relation entre l'nergie de la particule et son vecteur k :

E(k). On reprsente l'volution de l'nergie de l'lectron par la courbe E(k) en forant levecteur d'ondek demeurer dans une direction remarquable de l'espace des k, c'est dire

une direction cristallographique du rseau rciproque.

Figure I.2. La structure diamant

Figure I.3. Structure de bande schmatique d'un

semi-conducteur direct et indirect [6]


8/91


6

La structure de bande du Silicium a t lobjet de plusieurs tudies qui ont permit

la connatre avec une grande prcision. Le minimum de la bande de conduction du silicium

est dans la direction [010] et donc, par symtrie, aussi dans les directions

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]001,100,100,001,010 soit au total six minima.

Au contraire, pour le germanium, le minimum de la bande de conduction a lieu dans

les directions correspondant aux diagonales du cube, donc nous sommes en prsence de 8

minima [6].

Figure I.4. Reprsentation des minima de la bande de

conduction du Si et du Ge


9/91


7

Figure I.5. Structure de bande du silicium [7]

Figure I.6. Structure de bande du germanium [7]


10/91


8

I.3. BANDES D'ENERGIE

Bien que les lectrons d'un atome isol aient des niveaux d'nergie permis bien

dfinis, le comportement de ces lectrons dans un rseau cristallin priodique est diffrent.

Si la distance entre les atomes est suffisamment petite, comme dans le cas du rseau

cristallin du silicium, la prsence des atomes voisins gnre une sorte d'interfrence entre

les niveaux permis de chaque atome. Cela entrane une multitude quasi continue d'tats

autour de chaque niveau permis de l'atome individuel. Cet ensemble d'tats, trs

proches entre eux, est plutt considr alors comme une bande d'nergie permise, avec

une densit d'tats associe.

Les niveaux d'nergie des lectrons de valence et le niveau d'nergie d'ionisation

gnrent ainsi deux bandes dnergies permises particulirement intressantes, la bande de

valence et la bande de conduction, spares par une bande dpourvue de niveaux permis,

nomme bande interdite (Figure I.7). La particularit de ces bandes permises tient au fait

que les lectrons peuvent circuler librement dans toute la maille cristalline et ainsi gnrer

des courants de conduction lectrique (s'agissant d'lectrons partags par les atomes du

rseau cristallin).

Figure I.7. Diagramme des bandes d'nergie des semi-conducteurs

Bande de

valence

Bande de

conduction

Energie

de Gap

E

Ev

Ec

Eg


11/91


9

A des tempratures trs basses, la bande de conduction se trouve vide d'lectrons et

la bande de valence est compltement occupe, car l'nergie thermique n'est pas

suffisamment importante pour ioniser les atomes du rseau cristallin. A des tempratures

normales un bon nombre des atomes ioniss ont dj cd leurs lectrons la bande de

conduction, dans laquelle ils participent la conduction lectrique avec une charge

ngative.

La bande de valence, mme quasiment pleine, prsente un nombre de niveaux

inoccups (trous) gal au nombre d'lectrons dans la bande de conduction (dans le cas d'un

semiconducteur intrinsque); ces niveaux inoccups peuvent tre occups par un lectronde valence d'un atome voisin et ainsi se dplacer dans le rseau cristallin, et participer la

conduction lectrique comme s'ils taient des particules charges positivement.

La tailleEg de la bande interdite donne des caractristiques lectriques importantes

chaque semi-conducteur. Ces variations peuvent tre dcrites approximativement par la

fonction universelle suivante [8] :

( ) ( )( )bT

TaETE

gg+

=2

0 (I.1)

Au voisinage de chacune des limites Ec et Ev, respectivement de la bande de

conduction et de la bande de valence, la densit d'tats permis ( )EN peut tre estime avec

l'approximation parabolique suivante [4] :

( ) ( ) 21

ccc EEKEN = (I.2)

( ) ( ) 21

EEKEN vvv = (I.3)

Kc et Kv tant des constantes pratiquement indpendantes de la temprature.

I.4. SEMI-CONDUCTEUR INTRINSEQUE

Un semi-conducteur dit intrinsque est un matriau idal ne possdant ni dfaut

physique ni dfaut chimique. Un tel monocristal possde une structure de type ttradrique

c'est dire que chaque atome est entour symtriquement de 4 atomes.

I.4.1. Concentration intrinsque

A l'quilibre thermique, les densits totales d'lectrons dans la bande de conduction

et des trous dans la bande de valence sont donnes par les expressions suivantes [8] :


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10

( )

=

=

kT

EEN

kT

EEkTm

hn cFc

cFe expexp2

22

3

3 (I.4)

( )

=

=

kT

EEN

kT

EEkTm

hp Fvv

Fvh expexp2

22

3

3 (I.5)

O :

Nc et Nv sont respectivement la densit effective dtats des lectrons dans la bande de

conduction et la densit effective dtats des trous dans la bande de valence.

Un semi-conducteur intrinsque est un matriau dpourvu de toute impuret

susceptible de modifier la densit des porteurs. Les lectrons de la bande de conduction ne

pouvant rsulter que de l'excitation thermique des lectrons de la bande de valence, les

trous et les lectrons existent ncessairement par paires ( inpn == ), donc on obtient les

expressions suivantes, pour la concentration intrinsque des porteurs et le niveau de Fermi

intrinsque :

[ ]

=

kT

ENNn

g

vci2

exp21

(I.6)

[ ]e

h

cvFm

mkTLogEEE

4

3

2

1++= (I.7)

Il en rsulte que le niveau de Fermi intrinsqueEFest toujours trs proche du centrede la bande interdite.

Figure I.8. Concentration intrinsque du silicium et du germaniumen fonction de la temprature

200 300 400 500

10000

100000

1000000

1E7

1E8

1E9

1E10

1E 11

1E 12

1E13

1E14

1E15

Si

Ge

Concentrationintr

insque(cm

-3)

T(K)


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11

Dans le cas d'un semi-conducteur non dgnr et l'quilibre thermique

(2

0000 .,, innpnnpp === ) :

=kT

EEnn Fii exp0 (I.8)

=

kT

EEnp Fii exp0 (I.9)

I.4.2. Temprature intrinsque

La transition entre le rgime d'puisement et le rgime intrinsque marque la

temprature limite pour un dispositif semi-conducteur, dite temprature intrinsque. D'ol'importance, dans les cas d'applications en haute temprature, de repousser au maximum

cette transition.

Si on dfinit la temprature intrinsque iTcomme la temprature o la concentration

intrinsque ( )Tni devient comparable ou gale la concentration des impurets dopantes

nette ad NN donc [8] :

( )adii NNTn = (I.10)

I.5. DIFFERENTS TYPES DE DOPAGE

Les semi conducteurs intrinsques n'ont pas une grande utilit en tant que tels ; ils

servent de base aux semi conducteurs dops : on y rajoute des impurets pour modifier leur

comportement. Il existe deux types de semi conducteurs extrinsques [9]:

I.5.1. Semi- conducteur dop n

Matriau dop n est un semi-conducteur dont la concentration en lectrons est

largement suprieure la concentration en trous. On y a introduit gnralement du

phosphore, de lArsenic ou encore de lAntimoine. Prenons par exemple le cas du Silicium

dans lequel on introduit de lArsenic (possde 5 lectrons sur la couche extrieure).

On associe lArsenic un niveau donneur Ed dans la bande interdite trs proche de

la bande de conduction. Lintrt est que pour les temprature suprieure 0K, les atomes

darsenic sont ioniss ce qui revient faire passer llectron du niveau donneur la bande


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12

de conduction. La concentration de donneurs sera donc suprieure la concentration

daccepteurs ( 0 ad NN ) ce qui correspond la dfinition dun semi-conducteur dop n.

A la temprature ambiante pratiquement tous les donneurs sont ioniss et si la

concentration en atomes donneurs est dN , la densit de porteurs libres du semi-conducteur

sera :

dNnn += 0 (I.11)

O n0 est la densit d'lectrons gnrs par le processus de rupture de liaisons de covalence

qui engendre des paires lectrons-trous.

I.5.2. Semi-conducteur dop p

Il sagit dun semi-conducteur dont la concentration en trous est largement

suprieure la concentration en lectrons. On y a introduit gnralement du Bore, de

lAluminium, du Gallium ou encore de lIndium, prenons le cas du Silicium dans lequel on

introduit du Bore. On associe au Bore un niveau accepteur aE dans la bande interdite trs

proche de la bande de valence [10].

De la mme faon que pour le semi-conducteur dop n , la concentration en trous du

semi-conducteur sera :

aNpp += 0 (I.12)

I.5.3. Densit de charges dans un semi-conducteur

Si l'on considre un Semi-conducteur possdant une densit dN d'atomes donneurs

et une densit aN d'atomes accepteurs on peut estimer qu' la temprature ordinaire toutes

les impurets sont ionises. Il en rsulte le bilan des charges suivant:

da NpNn +=+ (I.13)

Dans le cas de semi-conducteurs dops n ou p la relation (I .13) se simplifie

lorsque l'on tient compte des ordres de grandeur des diffrentes concentrations.

Semi-conducteur dop n:

dda NnpNetN >>= 0 : Les lectrons sont les porteurs majoritaires.


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13

La densit des donneurs ioniss +dN s'crit:

+

=+

kT

EE

NN

dF

dd

exp21(I.14)

Ed tant le niveau d'nergie donneur.

Semi-conducteur dop p:

aad NpnNetN >>= 0 : Les trous sont les porteurs majoritaires.

La densit d'accepteurs

aN s'crit [4] :

+

=

kT

EE

NN

Fa

aa

exp4

11

(I.15)

Ea tant le niveau d'nergie accepteur.

Le matriau semiconducteur tant globalement neutre, l'quation de la neutralit

lectrique s'crit :

+ +=+ da NpNn (I.16)

I.5.4. Loi d'action de masse

La loi d'action de masse relie, une temprature T, la densit de porteurs (lectrons

et trous) la densit intrinsque du semi-conducteur. Elle s'exprime par:

2. inpn = (I.17)

On en dduit la concentration de porteurs minoritaires de Semi-conducteurs dops n et

dops p:

Trous dans un semi-conducteur dop n:

d

in

Nnp

2

= (I.18)

Electrons dans un semi-conducteur dop p :

a

ip

N

nn

2

=(I.19)


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14

I.6. COURANTS DANS LE SEMICONDUCTEUR

Les courants dans le semi-conducteur rsultent du dplacement des porteurs de

charge, lectrons et trous, sous l'action de diffrentes forces, l'origine de ces forces tant un

champ lectrique (courant de conduction) ou un gradient de concentration (courant de

diffusion) [8].

Le courant de conduction est le courant que l'on rencontre dans les mtaux et qui est

proportionnel au champ lectrique:

EnqJ nCn ... = (I.20)

EpqJ pCp ...= (I.21)

Ces relations sont valables pour des champs lectriques suffisamment faibles pour

que la vitesse des porteurs reste proportionnelle au champ. Le courant total s'crit alors [8]:

EpnqJ pntot =+= (I.22)

Ainsi, la conductivit (T) et la rsistivit (T), sont donnes par :

( ) ( ) ( )TpTnqT pn += (I.23)

( ) ( ) ( )( )TpTnqT

pn += 1 (I.24)

Considrons un semi-conducteur dop dont la concentration en trous varie suivant

un axe x. La densit de courant de diffusion en un point d'abscisse x est:

q

kTDo

dx

xdpqDJ pppDp ==

)( (I.25)

Dpest la constante de diffusion.

Les porteurs en excs tendent se donner une concentration uniforme. Il en est demme dans le cas des lectrons de concentration n(x) et on a:

( )q

kTDo

dx

xdnqDJ nnnDn == (I.26)

Lorsque les deux phnomnes existent simultanment la densit totale de courant

pour les lectrons et les trous est donne, en explicitant la relation de dpendance avec la

temprature, par :


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15

dx

dnDqEnqJ nnn .... += (I.27)

dx

dpDqEpqJ ppp .... = (I.28)

Ces relations sont valables pour des champs lectriques suffisamment faibles pour

que la vitesse des porteurs reste proportionnelle au champ. Le courant total s'crit alors [4]:

pntot JJJ += (I.29)

Les constantes Dp et Dn sont lies aux mobilits n et p par la relation d'Einstein :

T

n

n

p

pV

q

kTDD===

(I.30)

I.7. GENERATION ET RECOMBINAISON DES PORTEURS

Si on considre un semi conducteur l'quilibre thermique, il se produit en

permanence un processus de gnration de paires lectrons-trous par agitation thermique.

Cependant il existe aussi le processus inverse, un lectron se recombine avec un trou, c'est

la recombinaison. Dans un semi-conducteur l'quilibre les deux processus s'quilibrent de

faon ce que la concentration en porteurs libres reste constante.Lorsque llectron descend de la bande de conduction vers la bande de valence, le

semi-conducteur restitue lnergie sous forme de chaleur ou met de la lumire (photon).

Ce dernier effet est utilis dans les diodes lectroluminescentes (L.E.D.) ou les lasers semi-

conducteurs. Le photon mis a une nergie gale gE selon :

chEg .. = (I.31)

Soit :

( )( )eVE

mg

24.1= (I.32)

En sens inverse, un photon qui possde une nergie suprieure ou gale gE a le

pouvoir de gnrer une paire lectron-trou.

Quand le semi-conducteur absorbe une nergie suffisante (hEg), il engendre une

paire lectron-trou. En gnral, hors quilibre et en rgime transitoire, les taux nets de

recombinaison des lectrons et des trous respectivement sont donn par :


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16

=

=

pDU

nDU

pp

nn (I.33)

Avec :

=

=

t

nn

nnU

p

n

_

_

(I.34)

Par dfinition, la recombinaison est le retour de llectron de ltat excit ltat

initial ou de le bande de conduction vers la bande de valence, car il ne peut rester dans un

tat excit que pour un temps faible (t


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17

I.7.2. Recombinaison en volume de type Auger

Nous avons une recombinaison de type Auger, lorsque lnergie de llectron qui se

recombine dans la bande de valence est transfre sous forme dnergie cintique un

autre lectron libre. Lnergie transfre est libre ensuite sous forme de phonons. Ce

mcanisme est prdominant pour les rgions fortement dopes. Le taux de recombinaison

est donn par la relation :

( )( )2ipn npnpCnCR += (I.36)Avec Cn et Cp sont des coefficients dAuger. Leurs valeurs sont respectivement :

scmCn /10.2,2

631=

scmCp /10.9,9632=

B.V

B.C

h

Figure I.9. Schma descriptif du processus de recombinaison de type radiatif

B.V

B.C

Energie cintique

Figure I.10. Schma descriptif du processus de recombinaison de type Auger


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18

I.7.3. Recombinaison par pige

Les deux mcanismes prcdents ne dpendent que du dopage et pas des dfauts et

des centres de recombinaison associs. Ils sont souvent masqus par des processus de

recombinaison plus efficaces faisant intervenir les niveaux profonds.

Pour le silicium, il y a des niveaux profonds proches du milieu de la bande interdite

associs quelques impurets courantes. Llectron tendance revenir son tat initial

dans la bande de valence, en passant par ces niveaux (sils existent).

a. Recombinaison en volume de type RSHLe modle physique dcrivant les recombinaisons en volume est bas sur le modle de

Read-Shokley-Hall un seul niveau pige. Le taux de recombinaison par pige est donn

par la relation :

++

+

=

KT

E

iepKT

E

ien

i

RSHTT

ennenp

npnR

2

(I.37)

O :

ET reprsente lnergie du niveau pige proche du milieu de la bande interdite, n et p ont

une valeur gale 103s.

nie est la concentration intrinsque effective donne par la relation suivante :

+=

KT

EgEgpnn

pn

ie exp2

(I.38)

Elle est due au rtrcissement de la bande interdite pour un semi-conducteur fortement

dop etng

E ,pg

E prsentent le rtrcissement de la bande interdite.

B.V

B.C

Niveau pige

Figure I.11. Schma descriptif du processus de recombinaison par pige


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19

b. Recombinaison en surfaceLa surface dun semi-conducteur est un lieu o les recombinaisons sont

particulirement nombreuses, en raison des liaisons non satisfaites des atomes de surface

et autres dfauts caractristiques temprature constante (T=300K). Les recombinaisons

en surface avant et arrire inhrentes aux densits de dopages selon la relation suivante :

=

setN

NSS 0 (I.39)

S0, Nset et dpendent du traitement de la surface et de la passivation. Pour une

oxydation thermique dune couche de silicium de type n, est de 1 et Nset est de 1018

cm-3

.

La passivation est lajout dune couche de SiO2 en surface pour limiter les

recombinaisons en surface et combler les liaisons casses (en surface) lors de la dcoupe du

semi-conducteur [11].

I .8. CONCLUSION

Dans ce chapitre nous avons donn les notions fondamentales des semi-

conducteurs, dans lequel nous avons prsent la structure de bande des deux principaux

semi-conducteurs. Puis nous avons donn les diffrents types de recombinaison en surface

et en volume dans la cellule solaire. Dans le chapitre suivant nous prsenterons lesdiffrents types du silicium de qualit lectroniques ainsi les proprits physiques du

silicium st du germanium.


22/91

Proprits physiques du Silicium et du Germanium ChapitreII

20

II.1. INTRODUCTION

Les semi-conducteurs sont les matriaux utiliss pour la fabrication des dispositifs

lectroniques et optolectroniques. Parmi diffrents types de ces derniers le diamant qui se

distingue des autres semi-conducteurs, notamment le Silicium et le Germanium, par sa

capacit supporter des environnements extrmes en pression, temprature et puissance

dissipe. La plus grande partie des composants (transistors, diodes et puce en gnral) sont

raliss en Silicium.

Le silicium est le matriau de base de 90% de lindustrie micro-lectronique [12].

En effet, il est possible de raliser des plaques de Silicium monocristallin de trs grande

puret et faible cot.

II.2. DIFFERENTS TYPES DU SILICIUM

Le silicium utilis pour les cellules photovoltaques doit tre dune grande puret,

quelque soit sa forme. Comme beaucoup dautres lments, le silicium peut exister

temprature ambiante sous diffrentes structures, dont les deux extrmes sont

respectivement ltat amorphe et ltat cristallin (monocristallin ou multicristallin).

II.2.1. Le silicium monocristallin

La ralisation de nombreux dispositifs commence par la production d'une matire

monocristalline de grande puret. En particulier la fabrication de puces microlectroniques

ncessitent des substrats monocristallins semi-conducteurs, par exemple du silicium, du

germanium ou de l'arsniure de gallium. Dans le cas du Silicium, la fusion de zone et le

tirage en creuset (mthode de Czochralski) sont les deux mthodes utilises couramment

pour obtenir des lingots monocristallins de grande puret longs de plusieurs mtres et d'un

diamtre allant jusqu' 300mm [13] [14]. On a des rendements photovoltaques levs,

suprieurs 15 %.

II.2.2.Le silicium polycristallin

On peut raliser dun seul coup un lingot de grandes dimensions par refroidissement

directionnel dune masse de silicium en fusion. Le lingot obtenu est compos de plusieurs

gros cristaux, spars par des joints de grain. Ce matriau, moins homogne que le silicium

monocristallin, a de ce fait un rendement nergtique lgrement moins bon (13%) dans lecommerce, mais sa fabrication est plus facile. Ces lingots de silicium multicristallin


23/91


21

doivent tre eux aussi coups en tranches de 200 400 mm, grce cette fois-ci une scie

fil.

II.2.3. Le silicium amorphe

Le silicium amorphe a une structure atomique dsordonne, non cristallise,

vitreuse, mais il possde un coefficient dabsorption de la lumire environ 1000 fois

suprieur au silicium cristallin. Une fine couche de 0,3 mm est donc suffisante pour

absorber lessentiel du spectre visible.

Dans cette technologie, le silicium est produit directement sur une plaque de verre

partir du gaz silane SiH4. En fait, les plaques de verre sont places dans une enceinte

chauffe o lon fait le vide, puis du silane est inject et dcompos par une dcharge

radiofrquence; le silicium libr se dpose alors sur les plaques. La prsence dhydrogne

est galement ncessaire pour la qualit du matriau (il limite le nombre de dfauts en

saturant les liaisons pendantes de silicium prsentes cause de la structure dsordonne).

Ladjonction des dopants est ralise par ajout de gaz 3PH ou 62HB au silane.

Avec ce type de matriau peu coteux par rapport aux autres formes de silicium, on

a de faibles rendements: 5 6 % et des problmes de stabilit apparaissent rapidement

quand on lexpose au soleil et aux intempries (quelques centaines dheures) [15].


24/91


22

Types

de

silicium

Rendement

thorique

Rendement

en

laboratoire

Rendement

commercial

Domaine dapplication

Silicium

monocristallin

27,0% 24,7% 14,0-16,0%

Modules de grandes dimensions

pour toits et faades ; pour

appareils de faibles puissances ;

pour lespace (satellites)

Silicium

polycristallin 27,0% 19,8% 12,0-14,0%


pour toits et faades ; pour

gnrateurs de toutes tailles

Silicium

amorphe 25,0% 13,0% 6,0-8,0%


pour intgration dans les

btiments ; pour appareils de

faibles puissances (calculatrices,

montres)

II.3. OBTENTION DUN SILICIUM DE QUALITE ELECTRONIQUE

Le silicium existe essentiellement sous forme oxyde (silice, sable) et ncessite

dune part dtre rduit et dautre part, dtre purifi afin dobtenir un matriau de qualit

lectronique.

II.3.1. Rduction de la silice

On ralise une lectrolyse dans un four arc pour atteindre une temprature assez

leve pour faire fondre la silice. La silice est mlange du carbone.

Raction principale :

SiO2+2C Si+2CO (II.1)

Tableau II.1. Rendement et domaines dapplication de diverses cellules solaires [16]


25/91


23

Le silicium obtenu a une puret de 98%, il faut encore le purifier pour obtenir un matriau

de qualit lectronique.

II.3.2. Purification du silicium

On va effectuer une purification chimique, une des mthodes consiste faire une

distillation partir de SiHCl3 (trichlorosilane) liquide temprature ambiante.

Si(solide)+ 3Hcl SiHcl3 +H2 (gaz) (II.2)

Le rendement de la raction est gale 90%, on a effectu une premire purification

car des prcipits chlors ne se mlangent pas au trichlorosilane. Puis SiHCl3 (qui a une

temprature dbullition faible: 31.8C) est purifi par distillation fractionne, il est plus

volatil que les chlorures des principales impurets. Ce trichlorosilane purifi est ensuite

rduit pour redonner du silicium.

SiHCl3 (gaz) +H2(gaz) Si (solide) +3HCl (II.3)

Aprs la distillation, la teneur en impurets actives est infrieure 1ppm, le silicium

est alors de qualit lectronique. Le silicium pur obtenu (donc intrinsque) doit maintenant

subir un double traitement la fois denrichissement en matriau dopant afin den faire du

silicium extrinsque de type p ou n comportant une proportion dune impuret connue et

dobtenir de plus un monocristal convenablement orient. En effet, le silicium

prcdemment obtenu tait polycristallin, il y a ncessit de le transformer en

monocristallin pour amliorer sa conductivit. Cette opration est ralise dans un four

tirage selon la procdure de Czochralski.

II.3.3. Procdure de Czochralski

Dans le cas des oxydes utiliss notamment dans le cadre des applications laser, la

mthode Czochralski est l'une des seules permettant d'obtenir de gros monocristaux de

qualit optique suffisante. Le matriau laborer est d'abord port la fusion dans uncreuset. Un germe monocristallin est approch du centre de la surface du bain, avec

laquelle il est mis en contact. Le liquide remonte par capillarit le long du germe, crant

une interface triple liquide-solide-gaz. Le germe est ensuite lentement tir vers le haut,

des vitesses de l'ordre du millimtre par heure, pour former un monocristal. L'ensemble de

la croissance est effectue en maintenant le cristal en rotation, de manire homogniser

le bain et contrler la forme de l'interface solide/liquide [13] [14].


26/91


24

La figure II.2 prsente 2 cristaux obtenus par la mthode Czochralski le premier

un diamtre de 150mm, le second un diamtre de 200mm [15].

Cependant, les simples cristaux de silicium dvelopps par la mthode de

Czochralski contiennent des impurets puisque le creuset qui contient la fonte se dissout.

Pour certains dispositifs lectroniques, en particulier ceux exigs pour des applications de

puissance leve, le silicium dvelopp par la mthode de Czochralski n'est pas assez pur.

Pour ces applications, le silicium de flotter-zone (FZ-Si) peut tre employ la place.

Figure II.2. Lingots de silicium monocristallin

Figure II.1. Mthode de Czochralski


27/91


25

II.3.4.La fusion de zone

La fusion de zone permet de fabriquer des monocristaux de trs haute puret en

comparaison avec les autres mthodes. Elle s'est donc impose dans le domaine des semi-

conducteurs (Si, Ge, ). Elle est en cours de dveloppement pour dautres matriaux

comme le SiC.

La mthode consiste faire fondre localement un lingot polycristallin en le faisant

passer au travers dune bobine (l'inducteur). Le passage du lingot au travers de linducteur

se fait verticalement de haut en bas une vitesse trs lente. L'inducteur fait partie d'un

circuit lectrique oscillant, aliment par un gnrateur HF. Le systme inducteur-

gnrateur haute frquence fonctionne une frquence comprise entre 1 et 3 MHz. Le

courant alternatif dans le lingot cristallin, chauffant la zone du lingot situe l'intrieur de

l'inducteur au del de sa temprature de fusion, ce qui le fait fondre. Selon le lingot la

puissance du gnrateur HF est de lordre de 10 100 kW. La recristallisation en un lingot

monocristallin de mme diamtre a lieu sous la zone de fusion.

Le lingot effectue un mouvement de rotation afin que la matire fondue ne converge

pas au milieu mais qu'elle se rpartisse uniformment vers l'extrieur. Lors de la fusion, les

matires trangres diffusent vers le haut, ce qui donne sa grande puret au monocristal. La

vitesse de dplacement du lingot cristallin est de l'ordre du millimtre par minute, la

fabrication du lingot monocristallin dure plusieurs heures.

Du point de vue des rglages, la fusion de zone est un mcanisme extrmement

complexe: la vitesse d'avance, la vitesse de fusion, le volume de fusion, les forces

centrifuges et la puissance du gnrateur HF sont des paramtres dpendants les uns des

autres et qui doivent tre accords avec une extrme prcision pendant toute la dure du

processus [13] [14].


28/91


26

II.3.5. Prparation des plaquettes

II.3.5.1. Orientation et dcoupage

Une fois on a enlev les deux bouts du lingot du four de croissance, le bout

suprieur sert constituer le germe monocristallin pour la croissance suivante. Le bout

infrieur contient une concentration dimpuret plus importante que dans le corps du

lingot. Le lingot est ensuite rectifi au bon diamtre sur un tour pour donner un lingot

parfaitement rond.

Lorientation cristalline du lingot est dtermine grce un appareil aux rayons X.

Connatre cette orientation est ncessaire pour les tapes ultrieures de fabrication. En

particulier, la sparation des circuits dune plaquette les uns des autres, doit se faire dun

plan atomique. Un monocristal se coupe ou se clive le long dun de ses plans rticulaires.

Lorientation utilise les indices de Miller, un monocristal cubique contient trois plans

atomiques: (100), (110) et (111).

II.3.5.2. Dcoupage et polissage

Pour scier des plaquettes partir dun lingot, on utilise une scie diamante

diamtre intrieur, elle a la particularit de provoquer le minimum de casse. Le lingot

scier est coll par son mplat primaire sur une barre afin de maintenir les plaquettes lors du

sciage. On utilise aussi dautres types de scies fil diamant. Quelques plaquettes sont

Figure II.3. Fusion de zone


29/91


27

enleves du lot pour subir des testes et des mesures, savoir, le diamtre, la planit et

lpaisseur; on vrifie aussi lhomognit de la rsistance.

Aprs le sciage, les plaquettes sont nettoyes leau dsionise. On leur meule les

artes vives pour les adoucir. Elles subissent ensuite un rodage mcanique la poudre

dalumine. On les charge dans une machine action orbitale o elles tournent entre deux

surfaces lubrifies avec de la poudre dalumine. Aprs ce rodage, les irrgularits la

surface sont infrieures 3 microns.

II.3.6. Dfauts cristallins dans le Silicium

Dans un lingot monocristallin plusieurs dfauts peuvent tre prsents, la localisation

de ces dfauts sur lemplacement du circuit intgr peut entraner son rejet et baisser ainsi

le rendement de fabrication. Les dfauts les plus importants sont les dislocations, ce sont

les imperfections dans la structure locale du cristal qui sont causes par des dformations

plastiques lors dun traitement thermique ou qui sont dues la prsence de certaines

impurets.

Les dfauts intrinsques et les dopants induisent l'existence de niveaux localiss

dans la bande interdite. Les transitions lectroniques qui impliquent un de ces niveaux et

une des deux bandes donnent naissance la photoconductivit. Les ions prsents dans le

cristal, possdent galement des bandes internes trs caractristiques de leur valence et du

site qu'ils occupent [16].

II.4. PROPRIETES PHYSIQUES DU SILICIUM ET DU GERMANIUM

II.4.1. Hauteur de la bande interdite

La taille Eg de la bande interdite donne des caractristiques lectriques importantes

chaque semi-conducteur (Tableau II.3). Ces variations peuvent tre dcrites

approximativement par la fonction universelle (I.1).

Semi- conducteur Eg(0) (eV) a (eV/K) b (K)

Si 1.170 4.73 .10-4

636

Ge 0.7437 5.405 .10-4

235

Tableau II.2. Paramtres de la variation de la bande interdite en fonction de la

temprature [17]


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28

Eg(0) est la hauteur de la BI 0K, T temprature en K, a et b sont des constantes [8].

Lvolution de la variation de la largeur de la bande interdite du silicium et du

germanium en fonction de la temprature est illustre la figure II.8. On peut remarquer

que Eg dpend fortement de la temprature. En effet pour des tempratures plus leves, on

observe une dcroissance sensible de la largeur de la bande interdite.

Figure II.8. Variation de la bande interdite du Si et Ge en fonction

de la temprature

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

Si

Ge

Bandeinterdite(eV)

Temperature (K)


31/91


29

Proprit 300K Si Ge

Largeur de bande interdite Eg(ev) 1,12 0,67

Concentration datomes (/cm3) 5. 10

224,42.10

22

Concentration intrinsque (/cm

3

) 1,45. 10

10

2,4. 10

13

n 1350 3900Mobilits intrinsques

(cm2/V.s) p 480 1900

Constantes dilectriques relatives 11,7 16,3

Champ de claquage V/m -30. 106

-8. 106

II.4.2. La conductivit

Une bonne conductivit thermique est ncessaire dans le substrat semiconducteur,

d'une part pour rduire la temprature du substrat par dissipation, et d'autre part pour

assurer une temprature uniforme dans tout le substrat, afin d'amliorer la similitude du

comportement des dispositifs de nature identique mais placs dans diffrentes positions

dans le substrat semiconducteur.

L'lectronique d'tat solide a pris le relais avec succs, grce sa plus haute densit

d'intgration et sa plus faible consommation d'nergie, ce qui ne rendait plus ncessaire

aucune considration d'ordre thermique. Mais les technologies des circuits intgrs sur le

silicium ont fortement volu en densit d'intgration, et densit de puissance dissipe,

tout en conservant le mme type de substrat semiconducteur.

De mme, des nouveaux matriaux semi-conducteurs de plus large bande interdite

et de plus importante conductivit thermique, tels que le SiCet le Diamant, sont tudis

pour des applications plus de 300C. En ce qui concerne la gestion de la chaleur dans les

circuits intgrs analogiques et mixtes, quelques techniques d'implmentation peuvent tre

appliques afin de minimiser les gradients et les transitoires thermiques autours des

structures les plus sensibles [18] [19].

Les semi-conducteurs y occupent un grand intervalle car leur conductivit dpend

sensiblement de la temprature, mais elle varie surtout trs fortement en fonction de la

prsence de petites quantits dimpurets bien choisies. Dans un monocristal de silicium

intrinsque, la temprature ambiante quelques lectrons (1,5 1010 lectrons pour 5 1022

Tableau II.3. Proprits lectriques des principaux semi-

conducteurs [8]


32/91


30

atomes dans un cm3) sont excits thermiquement depuis la bande de valence vers la bande

de conduction, et les lectrons libres et les trous positifs ainsi cres contribuent ensemble

la conductivit du matriau, mais celle-ci reste assez faible.

Le courant dans un semiconducteur tant en gnral la somme de celui d au

dplacement des lectrons libres, et de celui d au dplacement des trous, la conductivit

est relie la densit des porteurs n et p, et leur mobilit par la relation :

( ) ( ) ( )TpTnqT pn += (II.4)

O :

q est la charge de llectron.

n et p sont les densits des lectrons et des trous, et est le coefficient qui, une

temprature donne, relie la vitesse de drive moyenne du porteur au champ lectrique

appliqu.

II.4.3. Les masses effectives

Les surfaces de lnergie sont des ellipsodes. Et on donne :

Pour le silicium [20] [21]:

ml=0.98m0

mt=0.19m0

m-=0.32m0

Pour le germanium [22] :

ml=1.59m0

mt=0.0815m0

m-=0.22m0

Avec :

m-=(9mlmt

2)1/3

O :

ml : est la masse effective longitudinale.

mt : est la masse effective transversale.

m-: est la masse effective de la densit dtat (masse rduite).

m0 : est la masse de llectron. Avec m0=9.1.10-31

kg


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31

II.4.4. Tableau des proprits physiques du Si et Ge

Proprits Silicium Germanium

Structure Diamant Diamant

Densit (g /cm3) 2,328 5,3267

Constante dilectrique 11,9 16,0

Nc (cm-3

) 2,8.1019

1,04.1019

Nv (cm-3

) 1,04.1019

6,0.1018

Affinit dlectron 4,05 4,0

Energie de Gap 300K

(eV)

1,12 0,66

Concentration intrinsque

des porteurs (cm-3

)

1,45.1010 2,4.1013

Dur de vie minoritaire (s) 2,5.10-3

10-3

Mobilit des lectrons

(cm2.V

-1.s

-1)

1500 3900

Mobilit des trous

(cm2.V

-1.s

-1)

450 1900

Indice de rfraction 3,44 3,97

II .5. C0NCLUSION

Dans ce chapitre, nous avons prsent en premier lieu les diffrents types du

silicium et les tapes suivre pour obtenir un silicium de qualit lectronique ainsi les

technique pour lesquelles on peut avoir des monocristaux de silicium. Enfin nous avons

donn les proprits physiques du silicium et du germanium.

Le silicium a de nombreuses applications dans diverses industries. Le silicium ultra-

pur est utilis, par exemple, dans l'industrie semi-conductrice du fait de ses caractristiques

semi-conductrices. Le silicium est galement utilis comme lment d'alliage, do nous

allons prsenter quelques proprits physiques de lalliage SiGe dans le chapitre suivant.

Tableau II.4. Proprits physiques du Si et Ge [8] [23]


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Proprits gnrales de lalliage SiGe Chapitre III

32

III.1. INTRODUCTION

La technologie Silicium-Germanium (SiGe), dont les dveloppements prliminaires

datent du milieu des annes 1980 et dont larrive sur le march est rcente, rpond cebesoin conjoint de lconomie et des performances. Des transistors bipolaires

htrojonction ou des transistors effet de champ, aux dispositifs quantiques, un nombre

important de fonctions sont alors permises. Seules certaines russissent le pari de

lintgration moindre cot, mais les fonctions fondamentales tendent dj bouleverser

les habitudes du concepteur de circuits micro-ondes qui voit une technologie nouvelle se

prsenter lui, face aux technologies III-V pour un moindre cot. De plus, de nombreuses

tudes restent galement mener pour valuer lensemble des possibilits offertes parlalliage SiGe. Lune de ces possibilits a encore t peu tudie : il sagit de lutilisation

du transistor bipolaire SiGe comme phototransistor [24] [25].

Lindustrie lectronique mondiale a acquis de nos jours un formidable savoir-faire

dans le traitement du Silicium. Les avantages naturels: mcaniques, thermiques et

chimiques, du Silicium ont tenu une grande part dans la russite de sa matrise

technologique, dans la diminution des cots de fabrication, et ainsi dans sa gnralisation.

Cependant, le Silicium ne profite pas du mme enthousiasme quant ses propritslectriques, au point de pouvoir tre considr comme un semi-conducteur lent.

Lavantage, bien que le cot soit plus lev, revient alors nettement aux diffrents

composs III-V lorsquil sagit de monter des frquences suprieures quelques GHz.

Ladjonction de Germanium prsente en partie une alternative ce problme en

permettant de retravailler les bandes dnergies du Silicium en vue den amliorer les

performances. Cest en ce sens que cette ide de raliser des transistors bipolaires SiGe, qui

remonte aux annes 1960, est exploite depuis le milieu des annes 1980 [26].Les proprits optiques du SiGe ont t tudies depuis les dbuts de ce matriau,

laissant entrevoir un potentiel important en dtection proche infrarouge (0,8m 1,55m),

en supports guides dondes, mais galement en mission au travers de modulateurs [27],

[28]. Les dispositifs exploitant ces proprits sont en phase active de recherche plus

particulirement depuis le dbut des annes 1990, bien que leur intrt ait t dcel depuis

la ralisation des premires htrostructures SiGe.


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33

III.2. PROPRITS GNRALES DE LALLIAGE SI1-XGEX

En 1948, Bardeen, Brattain et Schockley inventrent le transistor bipolaire. Bien

que le matriau exploit ft le Germanium, le Silicium a prt le relais peine quelques

annes plus tard dans les dveloppements de llectronique. La priode de transition, qui en

dcoula autour de 1960, favorisa les premires tudes sur le mlange de ces deux composs

en alliage Si1-xGex.

Il est alors amusant de sapercevoir que les premires tudes concernant ce matriau

nont pas toujours t ralises dans lesprit de trouver un meilleur matriau, mais plutt

parfois dans la volont de profiter de qualits de ralisabilit de lalliage, de miscibilit des

deux constituants lun dans lautre, ou de disponibilit des deux matriaux, pour atteindre

un but diffrent qui tait dtudier des phnomnes gnraux afin den tirer des lois et des

modles applicables la classe entire des matriaux semi-conducteurs, comme les

phnomnes dabsorption optique [29].

Dans ce cadre galement, seul le substrat SiGe fut tudi. Le dsaccord de maille

qui existe entre le cristal de Silicium et le cristal de Germanium, ne permet pas, en effet, la

croissance directe du SiGe sur substrat Si ou inversement, sans provoquer rapidement des

dislocations du cristal irrmdiables pour le fonctionnement lectrique de la jonction ainsi

forme. Ce nest donc quavec la possibilit de dposer et de contrler avec prcision des

films dune dizaine de nanomtres, que les premires tudes sur lalliage SiGe contraint au

paramtre de maille du Silicium et dpourvu de dfauts, ont pu tre entames.

III.2.1. Le SiGe massif

III.2.1.1. Structure cristalline

Les structures cristallines du Si, du Ge ou de lalliage de SiGe sont les mmes :

elles consistent en deux cubes faces centres, dcals chacun selon la diagonaleprincipale dun quart de la longueur de celle-ci. Dans cette structure, pour le SiGe, les

atomes de Silicium et de Germanium sont rpartis de manire alatoire et homogne. Cette

rpartition alatoire dfinit labsence de plans prfrentiels au sein du cristal qui pourraient,

pour lun, contenir majoritairement des atomes de Si, pour lautre, majoritairement des

atomes de Ge [30]. Ceci dfinit labsence de phases chimiques qui produiraient une

certaine priodicit dans la rpartition du Germanium.


36/91


34

Voil la structure cristalline du SiGe. En dautres mots, il sagit de celle du Silicium

dans laquelle certains atomes ont t changs alatoirement avec des atomes de

Germanium. Cela peut galement tre dit lenvers : la structure cristalline du SiGe est

celle du Germanium dans laquelle certains atomes ont t changs alatoirement avec des

atomes de Silicium. Une reprsentation symbolique est fournie par la Figure III.1 ci-aprs.

Les atomes sont reprsents par des sphres de petite taille (14 lectrons) pour le

Silicium et de plus grande taille (32 lectrons) pour les atomes de Germanium. Les traits

matrialisent les limites des structures cubiques faces centres.

Bien que la reprsentation des atomes par des sphres de diamtre donn soit

sommaire, elle permet de comprendre aisment la notion de paramtre de maille dans un

cristal. En ce sens, si les atomes sont gros, le paramtre de maille devra slargir afin de

prserver lquilibre. A linverse, si les atomes sont petits, le paramtre de maille sera plus

faible. Le matriau est dit relaxer lorsque aucune contrainte de pression ne sexerce sur

lune ou lautre des liaisons et que le paramtre de maille est laiss libre.

Les donnes pour le cristal de Silicium et le cristal de Germanium sont prsentes

dans le Tableau III.1. Le diamtre de latome de Germanium tant plus grand que celui de

latome de Silicium, le cristal de Germanium massif prsentera un paramtre de maille

plus grand que celui du cristal de Silicium.

Dans le cas du matriau Si1-xGex, ces atomes de diamtres diffrents sont mlangs.

Le paramtre de maille du cristal va donc voluer dun extrme lautre, passant de la

valeur du cristal de Silicium, pour la fraction molaire x=0, celle du cristal de Germanium,

pour x=1.

Il sagit l du premier paramtre du SiGe variant avec la concentration de

Germanium. La loi de Vegard applique ce cas prdit une variation linaire du paramtre.

Figure III.1. Exemples de maille dans un cristal de SiGe.


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35

Ceci est une extrapolation extrmement courante et utile. La mesure ne montre quune

infime dviation autour de cette loi, Figure III.2, [31].

Silicium GermaniumDiamtre de latome (A) 1,46 1,52

Paramtre de maille (A) 5,43 5,66

La courbe en pointills reprsente lapproximation par la loi de Vegard. La

rpartition des atomes de Germanium dans le cristal peut cependant tre ordonne dans le

volume. Ce phnomne est principalement engendr par des considrations de dynamique

de croissance de film plutt que par des raisons de stabilit. Il dpend donc du mode de

production du cristal. On trouve dans ces conditions les cas suivants :- Pas dordonnement dans le SiGe massif produit partir de SiGe liqufi, ni dans

celui produit par dpt sur un substrat dorientation ;

- Ordonnement prsent dans le volume et aux interfaces du SiGe massif produit par

dpt sur substrat dorientation entre 300C et 800C (des techniques particulires

utilisant des tensio-actifs permettent nanmoins de lviter).

Cette existence de diffrentes phases, avec des plans de Silicium et des plans de

SiGe au sein du cristal, peut affecter les performances optiques du matriau dans les

Tableau III.1. Paramtres des atomes des cristaux de Silicium et de Germanium massifs

Figure III.2. Variation du paramtre de maille du cristal Si1-xGex

en fonction de la composition de Germanium.


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36

dispositifs o les interfaces sont nombreuses, comme au sein des super-rseaux, [30] [32]

[33].

III.2.1.2. Bandes dnergies

Lalliage SiGe massif, ou relax, prsente de manire gnrale un intermdiaire

entre le cristal de Silicium et le cristal de Germanium. Ainsi, laugmentation progressive de

la fraction de Germanium dessine une modification continue des proprits du cristal de

Silicium vers celles du Germanium.

Les bandes dnergies des deux extrmes sont reprsentes en espace rciproque sur

la Figure III.3 300K. Le Germanium et le Silicium sont tous les deux des matriaux gap

indirect. Le sommet de la bande de valence est situ en k=0 (rgion ) alors que le bas de

la bande de conduction du Germanium se situe en valle L, tandis que celui du Silicium se

situe en valle X. Ces bandes dnergies dfinissent des valeurs de bande interdite,

indirectes ou directes, qui sont donc diffrentes. Leurs valeurs temprature ambiante sont

donnes par le Tableau III.2.

Silicium Germanium

Largeur de la bande interdite directe (eV) >2,50 0,90

Largeur de la bande interdite indirecte (eV) 1,10 0,65

Les valeurs de ce tableau sont donnes volontairement 0,05eV. Cet cart est

couramment rencontr dans la littrature et est suffisant pour une prsentation gnrale. Il

traduit, outre les imprcisions, les variations impliques par les diffrences de mthodes de

mesure.

Tableau III.2. Largeurs de bande interdite, directe et indirecte, pour le cristal de

Silicium et le cristal de Germanium 300K.


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37

Les mesures ralises sur la valeur de la bande interdite indirecte, Eg, ont exploit

les spectres dabsorption optique du SiGe massif. La comparaison des modles

labsorption indirecte a permis lextraction prcise de cette largeur de bande. Les mesures

ralises en 1958 par Braunstein [29], sont prsentes sur la figure suivante :

Figure III.4. Largeur de bande interdite indirecte en fonction de la composition du Si

dans lalliage SiGe 296K [29]

Figure III.3. Schma des bandes dnergies dans lespace rciproque 300K, pour

a) le Silicium ; b) le Germanium [8]


40/91


38

La position de gauche sur laxe horizontal repre le cas du Germanium pur tandis que celle

de droite repre celui du Silicium.

Les variations en fonction de la composition de Germanium de la largeur de bande

interdite suivent une volution de la position des minima de la bande de conduction du

Silicium vers celle des minima du Germanium. Deux seules valles rentrent en jeu. Le

minimum de la bande de conduction du Si1-xGex se trouve dabord dans la valle X qui est

celle du minimum du Silicium pur, puis dans la valle L qui est celle du Germanium pur,

au-del de 85% de Ge.

Avant que ce dernier ne se positionne dans la valle L, il a fallu que lnergie de la

bande de conduction du Silicium saffaisse lgrement dans cette valle et quelle

augmente lgrement dans la valle X. Ceci se produit depuis le silicium pur jusqux=0,85. Au-del, le minimum de la valle L prvaut alors sur la largeur de bande interdite

indirecte [34].

Braunstein et al.[29] ont mesur les spectres dabsorption optique de lalliage SiGe

ds 1958 en fonction de la temprature et de la composition. La dpendance de lnergie de

bande interdite avec la concentration en Ge est directement lie la structure de bande de

conduction.

Ainsi, on observe une transition assez brutale du gap lorsque lon passe du matriaude type Si au matriau de type Ge. Krishnamurly et al [35] ont dduit une expression du

gap optique 300K pour chaque rgime de variation saccordant bien avec ltude

exprimentale de Braunstein et al.[6]. Les expressions du SiGe sont :

+=

+=

2

2

3306.07442.11762.2

1691.03803.01053.1

xxE

xxE

L

g

X

g(III.1)

III.2.1.3. Proprits optiques

Les matriaux Silicium, Germanium et SiGe, sont tous les trois des matriaux gap

indirect. Les transitions des lectrons de la bande de valence vers la bande de conduction

provoques par lincidence de photons sont verticales. En labsence de tout autre

mcanisme, elles ne peuvent donc se produire que pour des transitions de hauteur au moins

gale la valeur de la bande interdite directe. Sa valeur, indique prcdemment, Tableau

III.2, est suprieure 2,5eV. Celle du Germanium est plus basse avec 0,90eV.

La limite correspondante dabsorption en longueur donde vaut alors linverse de

cette limite en nergie, multipli par un facteur 1,24 eV.m, daprs les liens qui existent


41/91


39

entre lnergie et longueur donde. La limite dabsorption directe du Silicium est donc

infrieure 0,5m, dans le visible vers le bleu. Celle du Germanium est en revanche de

1,38m.

Cependant, il existe galement une absorption indirecte qui se produit entre deux

extrema des bandes de conduction et de valence, et qui prolonge labsorption en longueur

donde. Ceux-ci sont dcals dans lespace des vecteurs donde, aussi, pour expliquer ce

phnomne, il est ncessaire de faire intervenir un mcanisme permettant la conservation

de la quantit de mouvement.

Cette conservation, que ne saurait faire respecter un photon lors dune transition

indirecte, fait essentiellement appel aux proprits vibratoires du rseau, concentres dans

une particule appele phonon: ainsi, durant labsorption indirecte dun photon, un phonon,

dont la quantit de mouvement est gale celle qui spare lextremum de la bande de

valence avec le minimum de la bande de conduction, sera gnr ou absorb. Ce

mcanisme est schmatis par la Figure III.5.

La limite dabsorption indirecte est donc dtermine par la somme de la largeur dela bande interdite indirecte et de lnergie des phonons mis en jeu. Ltude dtaille mene

par Braunstein [28], a permis disoler les termes de largeur de bande interdite et dnergie

de phonon. Ce sont ces travaux qui ont permis de mesurer avec exactitude la valeur de la

largeur de bande interdite du SiGe massif prsent au paragraphe prcdent.

Les spectres dabsorption mesurs, dune part pour des alliages riches en Silicium,

dautre part pour des alliages riches en Germanium, sont respectivement prsents sur la

Figure III.6 et la Figure III.7. Labsorption au sein de lalliage SiGe est trs similaire celledu Silicium, jusqu des proportions de 30% de Germanium. Ceci est fondamentalement

Figure III.5. Schma du mcanisme dabsorption indirecte assist par phonon.


42/91


40

li au fait que la largeur de bande interdite nvolue que faiblement pour cette composition.

En premire approximation, le matriau se comporte comme le Silicium. Au-del, dans le

cas des alliages SiGe riches en Germanium, le spectre dabsorption volue rapidement avec

la composition pour se rapprocher du spectre du Germanium pur.

Figure III.6. Spectres dabsorption dalliages SiGe riches en Silicium [29]

Figure III.7. Spectres dabsorption dalliages SiGe riches en Germanium [29]


43/91


41

En dfinitive lalliage SiGe massif ne prsente damliorations vis--vis du

Silicium quant labsorption optique, que si la proportion de Germanium est significative,

cest--dire suprieure 30%. Il sera vu quil peut en tre diffremment pour le SiGe-

contraint.

III.2.2. Le SiGe contraint sur Silicium

III.2.2.1. Structure, contrainte et stabilit

Le matriau Si1-xGexprsente l'intrt fondamental, pour les composants tudis, de

possder une largeur de bande interdite plus faible que celle du Silicium. La mise en

application de cette proprit ncessite nanmoins la ralisation dau moins deux couches

superposes Silicium- Germanium / Silicium alternant deux largeurs de bande interdite

diffrentes. Cet empilement constitue une htrostructure pour laquelle il existe a priori un

dsaccord de maille entre les deux matriaux. Ceci est schmatis par la Figure III.8.

Le dsaccord de maille, pour 20% de Germanium, entre le SiGe et le Silicium reste

cependant de lordre de 1%. Cette particularit rend possible la croissance de fines couches

SiGe en accord de maille avec le Silicium. Le matriau possde alors des proprits

diffrentes de celles du SiGe massif, dit relaxer. Ceci justifie que lon distingue le SiGe-

contraint et le SiGe-massif. Puisque le paramtre cristallin des alliages SiGe est suprieur

celui du Silicium, les films contraints sur Silicium sont en compression biaxiale dans le

plan de croissance, et en longation normalement linterface. Les proprits de transport

sont, de ce fait, anisotropes [36] [37].

Dans le cas de films SiGe plus pais, les couches loignes auront tendance tre

relaxes. Il y a ds lors apparition de dislocations qui se propagent depuis lhtrojonction

jusque dans le volume de SiGe.

Les dislocations de matriaux constituent une dgradation profonde des qualits du

matriau. Elles caractrisent donc un tat critique quil nest pas envisageable de tolrer

dans un dispositif actif. Elles sont notamment la cause de mcanismes de recombinaison

importants, ainsi que de fuites et court-circuits.


44/91


42

Trois cas possibles : a) pas de jonction, les deux matriaux sont relaxs et les

paramtres de maille sont distincts ; b) la jonction des deux matriaux est ralise, le film

de SiGe est suffisamment fin pour que le film de SiGe-contraint soit stable ; c) la jonction

est ralise mais le film de SiGe est instable, des dislocations prennent naissance

linterface et le matriau se relaxe.

III.2.2.2. Rduction de la bande interdite

Les atomes de Germanium, qui sont une ligne en dessous du Silicium dans la

classification priodique des lments, possdent un cortge lectronique dot dune

couche supplmentaire vis--vis du Silicium. Son occupation spatiale est ncessairement

plus volumineuse et la reprsentation des atomes en sphres permet ainsi de mieux

comprendre la notion de contrainte qui sen dgage.

La Figure III.9 donne la reprsentation en trois dimensions de lhtrojonction

SiGe/Si. La partie suprieure reprsente le Silicium-Germanium dont le paramtre de

maille est contraint celui du Silicium. Les atomes de Germanium, qui sont plus gros,

apparaissent ainsi compresss, leur cortge lectronique modifie alors celui des atomes de

Silicium voisins ce qui se traduit par une modification des bandes dnergie du SiGe-

contraint par rapport au cas du SiGe relax.

Figure III.8. Reprsentation plane de la structure cristalline dhtrostructures SiGe/Si.

a b c


45/91


43

Les flches noires traduisent de manire symbolique la contrainte sur les liaisons Si - Ge,

induite par laccord de maille forc du SiGe sur le Si.

La largeur de bande interdite et lensemble de la structure de bande du matriau se

retrouvent affects par cette mise sous contrainte, mais la quasi-totalit de linfluence de

cette compression de lalliage SiGe se rpercute intgralement dans la bande de valence

[38].

III.3. CONCLUSION

Lalliage SiGe est devenu au profil des ans lun des matriaux les plus intressants

pour lindustrie de la microlectronique. Les chercheurs utilisent maintenant une technique

de dpt de pointe dpitaxie en phase vapeur sous vide pouss (UHV-CVD) afin

dlaborer des couches minces de SiGe utilises tant par lindustrie de la

microlectronique, pour le dveloppement de nouveaux produits, que par les universits,

pour de nouvelles initiatives de recherche.

Figure III.9. Exemples de mailles prsentes linterface

SiGe(au-dessus)/Si(au-dessous).


46/91

Simulation des cellules solaires base de Si et SiGe Chapitre IV

44

IV.1. INTRODUCTION

Une faon dexploiter lnergie solaire est dutiliser des cellules photovoltaques

qui convertissent lnergie vhicule par le rayonnement incident en un courant lectrique

continu. Cette conversion est base sur leffet photovoltaque engendr par labsorption de

photons. Une partie des photons absorbs gnre des paires lectron-trou dans lesquelles un

champ lectrique cr dans la zone de charge despace dune jonction p-n.

Un tel dispositif est appel diode p-n. Une autre faon damplifier ce courant est de

rduire lpaisseur de la premire zone qui absorbe une partie de la lumire incidente.[39].

IV.2. LA CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE

IV.2.1. Principe de la conversion photovoltaque

Considrons une jonction p-n recevant un rayonnement monochromatique de

frquence , telle que h>Eg . Si les photons incidents interagissent avec les lectrons de la

bande de valence en leurs communicant leur nergie, ceux-ci passent dans la bande de

conduction laissant des trous dans la bande de valence. Le rayonnement incident excite des

paires lectron-trou. Les lectrons crs dans la rgion P et les trous engendrs dans la

rgion N diffusent, seuls atteignent la zone de charge despace et les porteurs librs de

part et dautres de la jonction une distance infrieure leur longueur de diffusion L ; pris

et acclrs par le champ lectrique E ils traversent la zone de transition. La rgion N reoit

des lectrons et se charge ngativement ; la rgion P accepte des trous et devient positive.

Le rayonnement incident a pour effet de polariser la jonction en direct.

Ec

Ev

Zone de charge despaceRgion P Rgion N

EF

Energie E

Figure.IV.1.a. Diagramme de bande dune cellule


47/91


45

Lorsquon relie les deux cots de la jonction une charge Rc le courant I la parcourt et une

d.d.p V apparat ses bornes : V=VP VN =RI , le courant traverse la jonction de N vers

P, il est donc ngatif.

( )VIII dcc = (IV.1)

Avec :

Icc : courant de court circuit.

Id (V) : courant dobscurit de la diode.

Eclairer la jonction revient la polariser en direct, ce qui se traduit par une injection

de porteurs minoritaires, tandis que la concentration des porteurs majoritaires nest pas

modifie. Le courant I est d la diffusion des porteurs minoritaires par rapport

lquilibre. La jonction p-n claire est un convertisseur dnergie lectromagntique en

nergie lectrique (Figure IV.1).

IV.2.2. Paramtres essentiels caractrisant une cellule solaire

IV.2.2.1. Courant de court-circuit

Si les deus lectrodes sont en court-circuit travers un ampremtre, les lectrons

drains par un champ interne de la jonction vont donner naissance un courant de court-

circuit Icc qui correspond au photocourant Iph gnr par le rayonnement. Pour une

distribution spectrale donne, ce photocourant est proportionnel lirradiation du

rayonnement incident et la surface active de captation. Il dfinit la quantit de paire

Rayonnement

solaire incident-+

ZCE Ln

RcI

V

Lp

P N

Figure IV.1.b. Jonction PN claire et charge dune rsistance Rc


48/91


46

lectron trou gnre G qui traverse la jonction sans recombinaison entre les longueurs de

diffusion Ln et Lp , donn par la relation:

( )pnph LLGqI += (IV.2)

IV.2.2.2. Tension de circuit ouvertSi la cellule est laisse en circuit ouvert, les porteurs gnrs par le rayonnement et

spars par le champ interne vont saccumuler de part et dautre de la jonction, induisant

une autopolarisation de la jonction dans le sens passant. Cette autopolarisation induit un

courant de diode dans le sens direct gal et oppos au photocourant. La tension alors

mesure aux bornes des lectrodes est appele tension de circuit ouvert Vco. Cest la

tension quil faudrait appliquer la diode dans le sens passant pour gnrer un courant gal

au photocourant, elle est donne par la relation :

( ) ( )[ ]1ln 0 += IIqTkV ccco (IV.3)

IV.2.2.3. Facteur de forme

Le facteur de forme reprsente lefficacit de la cellule ou encore, il peut nous

renseigner sur le vieillissement de la cellule. Cest le rapport entre la puissance maximale

dbite Vm.Im et la puissance idale Vco.Icc , on le note :

ccco

mm

IV

IVFF = (IV.4)

IV.2.2.4. Rendement de conversion dnergie

Le rendement de conversion dnergie est le rapport de la puissance gnre et de la

puissance du rayonnement solaire incident P0. On appelle rendement maximal, le rapport

entre la puissance maximale et la puissance P0 :

00 P

IVFF

P

IV cccommm == (IV.5)

IV.3. LOGICIEL DE SIMULATION : PC1D

IV.3.1. Aperu du logiciel

Le logiciel de simulation numrique des cellules solaire PC1D a une rputation

internationale dans la recherche photovoltaque, il a t dvelopp luniversit New

South Wales de Sydney en Australie ; qui est lune des pionnires dans ce domaines.


49/91


47

Son utilisation est trs pratique, il permet de simuler nimporte quelle structure

photovoltaque, selon les matriaux disponibles en fichiers data, en jouant sur les

paramtres variables (largeur, surface, dopage, etc). Les rsultats de la simulation, sont

trs proches des rsultats exprimentaux, donc cest un gain de temps et dargent.

La fentre du logiciel PC1D est prsenter sur la Figure IV.2, ce logiciel se divise en

quatre parties, les trois premires sont pour la programmation ; o il faut introduire les

paramtres du dispositif, des rgions et de lexcitation. La quatrime partie concerne les

rsultats de la simulation.

IV.3.2. Les paramtres du dispositif (Device)

Aire du dispositif (Device) : la surface du dispositif est trs importante car elle

influe sur le photocourant dune manire apprciable. Dans notre simulation, nous

avons choisi une surface de 4cm2.

Figure IV.2. Fentre du logiciel PC1D utilis en simulation numrique


50/91


48

Surface texture : les surfaces textures utilises dans toutes les structures tudies

sont composes de micro pyramides inverses de profondeur (depth) 3m et

dangle facial 54,74. La texturisation est trs importante, car elle permet de

diminuer les pertes par rflexion du rayonnement incident. Nous avons texturseulement la face avant, car lautre face est considre lobscurit.

Les deux faces sont considres comme neutres, du fait quil ny a pratiquement pas

de charges aux interfaces, cd quil ny a pas de barrire de potentielle aux surfaces.

Nous navons pas introduit de couches antireflets, car elle est remplace par la

texturation. Cette couche est gnralement de la silice (SiO2), elle peut tre

remplace par dautres matriaux qui sont transparent au spectre solaire et qui sont

donne dans le logiciel sous forme de fichiers. Rflectance optique interne : elle est nglige dans notre simulation, nous

considrons que les surfaces sont spculaires et non diffuses cd non rugueuses.

Par dfaut, lmetteur et la base sont connects au circuit, tandis que le collecteur

est dconnect.

Quatre rsistances shunt peuvent tres introduits, chacune delle peut tre

conducteur, diode ou condensateur. Dans notre cas nous considrons quil ny a pas

dlment qui peut shunter le circuit.

IV.3.3. Les paramtres des rgions

Lpaisseur de lmetteur est relativement mince par rapport la base. Dans le cas

du silicium elle varie sur un intervalle compris entre 0,1m et 2,5m.

Le matriau utilis: les paramtres qui le dcrivent, sont stocks dans des fichiers

dextension (*.mat), ils sont fournit avec le logiciel dans une diskette. Les

paramtres stocks dans ce fichier sont :

-La mobilit : le modle utilis est le modle de Thuber et al 1981.

-La constante dilectrique.

-Lnergie de gap (eV).

-La concentration intrinsque (cm-3

).

-Lindice de rfraction.


51/91


49

-Coefficient dabsorption : le modle utilis est celui de Rajkanan et al

1979.

-Absorption des porteurs libres : lquation dcrivant labsorption des

porteurs libres est : ( ) ( )224327

..10.7,2..10.6,2 pn

+= .

Type et concentration de dopage : de type n ou p, la concentration maximale est de

1019

cm-3

.Ce logiciel prsente quatre profil de dopages : le profil uniforme, le profil

exponentiel, le profil gaussien et le profil erfc.

Les recombinaisons en volume : le modle utilis est bas sur la statistique de Read

Shockley-Hall dcrivant les recombinaisons par piges, situes dans la bande de

valence.

Les recombinaisons face avant et arrire.

IV.3.4. Les paramtres dexcitation

Deux fichiers intgrs dans le logiciel permettent de simuler la caractristique

courant-tension et autre caractristiques en utilisant le fichier One-Sun.exc , ou

la rponse spectrale en utilisant le fichier Scan-qe.exc .

Le mode dexcitation : il y a trois modes dexcitation (en quilibre, stationnaire et

transitoire). Pour une bonne simulation numrique, le mode transitoire est vivement

recommand.

Dans la plus part des cas on choisit la temprature ambiante, T=25C.

Il y a deux sources de Thevenin identiques, lune pour la base et lautre pour le

collecteur.

Seulement la face avant est claire (cot n), par un flux lumineux dune intensit

de 0,1 W/cm2. Pour avoir la rponse spectrale, le logiciel fait un balayage sur

lintervalle de longueurs donde compris entre [300, 1200] nm. Pour avoir lacaractristique, il utilise directement le fichier daire masse am 15g.spc .

La seconde source est dsactive, car la face arrire nest pas claire dans notre cas

[40].


52/91


50

IV.3.5. Les rsultats

Les rsultats que nous pouvons visualiser en utilisant le fichier dexcitation One-

Sun.exc sont :

-La valeur du courant de court circuit.

-La valeur de la tension en circuit ouvert.

-La valeur de la puissance maximale.

Et ceux obtenus avec le fichier Scan-qe.exc sont :

-La valeur de courant de court circuit.

-La valeur de la puissance maximale.

IV.4. SIMULATION DES CELLULES SOLAIRES A BASE DE

SILICIUM

IV.4.1. Paramtres de simulation

Nous avons simul une cellule de type n+pp

+de surface 4 cm

2avec une texturation

la surface avant pour optimiser le captage du rayonnement.

0,15m (n+ Si)

0,3m (p+

Si)

Xm (p Si)

Figure IV.3. Schma de la cellule solaire base de silicium


53/91


51

Un metteur classique dop 1017

cm-3

pour la ralisation des cellules solaires,

ncessite une paisseur importante pour une bonne collecte de porteurs. Par contre, les

nouveaux metteurs utiliss actuellement sont dops 1019

cm-3

et ncessite une faible

paisseur. Ce type dmetteur est appel Emetteur Transparent et dispose dun phnomne

de diffusion trs important.

IV.4.2. Rsultats de la simulation

IV.4.2.1. Caractristique I-V

La cellule solaire simule est base de silicium dpaisseur 100m dope

1016

cm-3

, de face avant (face claire) texture en pyramides inverses, cette texturation

permet une rduction importante du coefficient de rflexion et ainsi des pertes optiques

dans la cellule. Le substrat est dpaisseur 0,3m dop 1019cm-3. Les rsultats obtenus

sont :

=

=

=

mW80,8P

mV692,4V

mA138.5I

max

co

cc

Et par consquence :

%,=

=

2020

%84,25F.F

m

Figure IV.4. La caractristique I-V de la cellule solaire base de silicium

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

-0,14

-0,12

-0,10

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02 I (A) P (W)

Courant(A),Puissance(W)

Tension (V)


54/91


52

IV.4.2.2. Rponse spectrale

La zone pp+

engendre un champ lectrique interne et joue un rle important dans le

fonctionnement des cellules solaires. En effet, elle a quatre effets sur les performances des

cellules solaires :

Repousser les lectrons vers la jonction np et amliorer le rendement de collecte

des porteurs.

Motiver le pigeage des porteurs minoritaires.

Diminuer les recombinaisons en surfaces arrire des porteurs minoritaires.

Augmenter labsorption optique dune partie du spectre solaire incident.

La figure IV.5 reprsente le rendement quantique interne, la rponse spectrale est

obtenue en utilisant lexpression suivante :

( )RQIh

RqRS

..

1.

= (IV.6)

Avec RQI le rendement quantique interne et R le coefficient de rflexion.

400 600 800 1000 1200

0

20

40

60

80

100

Rendedmentquantiqueinterne(%)

Longueur d'onde (nm)

Figure IV.5. Variation du rendement quantique pour une cellule solaire base de silicium


55/91


53

IV.4.2.3. Influence de lpaisseur de lmetteur n+ sur le rendement

Pour tudier linfluence de lpaisseur de lmetteur, nous avons pris une cellule

dpaisseur fixe (100m) et nous avons vari celle de lmetteur. Daprs le rsultat obtenu

(Figure.IV.6), nous avons choisi un metteur de 0.15m pour toutes les autres simulations

qui suivent, cela est du au rendement lev obtenu par rapport aux autres paisseur plus

grandes.

IV.4.2.4. Influence de lpaisseur de la cellule solaire sur le rendement

Pour tudier linfluence de lpaisseur de la cellule sur le rendement nous avons

vari cette dernire et fix les autres paramtres. Daprs les rsultats obtenus, nous

pouvons conclure que lpaisseur de la cellule est un facteur important pour labsorption

des photons. Il nest pas ncessaire de fabriquer des cellules solaires monocristallines avec

des paisseurs trop grandes pour cela nous choisissons lpaisseur 100m avec lequel nous

avons un rendement de 20.2%.

Pour une cellule solaire base de silicium monocristallin, une paisseur de 250m

peut donner un rendement de 21%. En comparant une cellule de 250m et une cellule de

100m, nous pouvons dire quune diffrence de 150m peut augmenter le rendement que

de 0,8%.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

17,0

17,5

18,0

18,5

19,0

19,5

20,0

20,5

Rendement(%)

Epaisseur de l'metteur (m)

Figure IV.6. Variation du rendement de la cellule solaire en fonction de lpaisseur

de lmetteur


56/91


54

IV.4.2.5. Influence de la longueur de diffusion sur le rendement, Icc et Vco

La longueur de diffusion est un paramtre extrmement influent sur le rendement

des cellules solaires, pour cela nous avons fix lpaisseur de la cellule solaire 100m et

nous avons vari la longueur de diffusion. Laugmentation de la longueur de diffusion a un

effet direct sur lamlioration du photocourant et par consquent sur le rendement de

conversion de la cellule solaire.

Figure IV.8. Influence de la longueur de diffusion sur la variation du rendement

quantique interne de la cellule solaire base de silicium

400 600 800 1000 1200

0

20

40

60

80

10 0

250m 125m

70m 20m

RQI(%)

Longueur d'onde (nm)

50 100 150 200 250

19,5

20,0

20,5

21,0

Rendement(%)

Epaisseur de la cellule solaire (m)

Figure.IV.7. Variation du rendement en fonction de lpaisseur de la cellule solaire


57/91


55

Daprs les rsultats obtenus, on peut dduire que le rendement de la cellule dpend

fortement de la longueur de diffusion ce qui est confirm par la relation entre le

photocourant Iph et les longueurs de diffusion Ln et Lp. les cellules solaires base de

silicium monocristallin ont des rendements maxima pour des paisseurs de 100 150m

pour diffrentes longueurs de diffusion (Figure IV.9). Pour le silicium industriellement

appropri de la qualit matrielle Czockralski, la longueur de diffusion est toujours le

facteur limiteur. Cest un paramtre extrmement influe sur le rendement des cellules

solaires. Les trois paramtres de la cellule (le rendement, le courant de court-circuit et la

tension de circuit ouvert) dpendent fortement de la longueur de diffusion.

Des simulations ont t faites avec deux paisseurs du substrats en faisant varier la

longueur de diffusion, les autres paramtres sont fixs. Nous pouvons remarquer quil nest

pa

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