semiconducteurs propriétés – jonction p-n. 2 historique

Semiconducteurs

Propriétés – Jonction p-n

2

Historique

http://www.pbs.org/transistor/index.html

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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

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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

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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, …)

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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

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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

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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