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Physique des composants à semiconducteurs : introduction

raphael.clerc@institutoptique.fr

Raphaël Clerc

Institut d’Optique Graduate School, Rhône Alpes

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Pourquoi ce cours aux étudiants PNS de PHELMA :

La physique et la technologie des composants pour l’électronique et l’optique :

• est une grande spécialité Grenobloise(PHELMA / PNS est une des meilleurs formations en France pour travailler dans ce domaine)

• est un domaine de l’industrie (sinon LE domaine) dans lequel les compétences en physique (mécanique quantique, la physique du solide …) sont très utiles.

• reste un domaine d’avenir dans l’industrie, comme dans la recherche.

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Histoire de l’électronique et de l’optoélectronique dans le monde

&Quelques succès locaux actuels

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Histoire de l’électronique

Transistor inventors (1948)

BRATTAINExperimentalist

BARDEENTheorician

SHOCKLEYTheorician

1926 : First transistor Patent (J. E. Lilienfeld)

1948 : Bipolar Transistor (Schockley, Brattain and Bardeen)

1954 : First Silicon Transistor (TI)

1958 : Integrated Circuit (J. Kilby)

1960 : MOS transistor (M. Atalla, D. Kahng)

1971 : Microprocessor (INTEL)

IC inventor J. Kilby (1958)First IC (1958)

First Transisor (1948)

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ST et le LETI développent « seuls »une technologie 28 nm

pour le téléphone portable

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Histoire de l’Opto Electronique

1839 : Découverte de l’effet photoélectrique (Becquerel), interprété par Einstein (1905).

1917 : Principe de l’émission stimulée (ou émission induite), Albert Einstein.

1954 : Première cellule photovoltaïque « pratique » (6% de rendement) G. Pearson (Bell Labs), utilisée dans un satellite, dès 1958.

1961 : Concept du laser à semiconducteur (homojonction) Basov, Krokhin, Popov URSS(1961).

1962 : première LED visible (rouge) Holonyak, General Electric

1962 : première diode laser visible (Hall, General Electric 1962), URSS (1963).

1968 : diode laser à Heterojunction (puits quantique)(GaAs–AlGaAs): Alferov URSS

1969 : invention du CCD (W. Boyle, G. E. Smith, Bell Labs)

1987 : première LED organique (Kodak)

1994 : première LED bleu (Shuji Nakamura of Nichia Corporation, InGaN)

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Nobel 2000 :

Laser à hétérojunction

Circuit intégré

Nobel 1964 : Laser

Nobel 2009 :

Communication à fibre optique

CCD

Histoire de l’Opto Electronique

Nobel 1973 : Diodes à effet tunnel

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• Lithographie

• Imageur CMOS

STMicroelectronics et l’optique

Septembre 2012 : High-dynamic-range CMOS image sensor delivers 24Mpixels across a 36x24mm area“CMOSIS has developed a high-resolution, high-dynamic-range CMOS image sensor

exclusively for Leica Camera AG geared to an important volume market.

The custom-designed sensor chip, is made by STMicroelectronics in Grenoble,

France, using 300mm wafers in their IMG175 CIS technology.”

Septembre 2012 : ST takes a closer look at OLED displays« Chipmaker STMicroelectronics (ST) has established a strategic agreement with

MicroOLED »

Mars 2012 : Luxtera, ST in deal to take silicon photonics mainstream“STMicroelectronics NV has said it agreed with CMOS photonics specialist Luxtera to

develop a dedicated silicon photonics process at its 300-mm research and pilot

production wafer fab in Crolles, France.”

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Au-delà de la microélectronique et l’optoélectronique classiques

quelques exemples de nouveaux défis pour la physique des composants

• Les LED organiques• Le photovoltaique• Les LED blanches pour l’éclairage

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Ecran OLED :

→ Samsung & LG vont produire massivement des téléviseurs OLED 2013

Sony The Galaxy Tab 7.7

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Avantages de l’écran OLED :

1. Écran très fin et léger ( dispositif réel 300 nm d’épaisseur)2. Très bonne efficacité énergétique3. Rapidité de l’image4. Grand angle de vue (170+ degré) 5. Bon rendu des couleurs, les OLED pouvant émettre dans tout le spectre.6. Le « noir » est vraiment « noir » (pas de rétroéclairage)

• Samsung, Sony, LG …

• Active Matrix OLED : AMOLED

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L’électronique plastique

• En utilisant les techniques de l’industrie des semiconducteurs :Propre, efficace mais … coûteux.

• En utilisant les techniques de l’imprimerie :Très délicat, mais … prometteur !

Pression 10-9 bar !

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Production d’énergie :

L’énergie solaire largement inexploitée

Cellules Solaires :

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Rendement Cellule Solaire :

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Le dispositif cible deux priorités. D'une part, les mesures visent à augmenter la capacité de la

filière en portant les volumes à atteindre à 1 000 mégawatts (MW) pour l'année 2013. Soit un

doublement des objectifs qui étaient, jusque-là, de 500 MW par an. Deux mécanismes vont

concourir à augmenter ces volumes : un nouvel appel d'offres pour les grosses installations de

plus de 100 kilowatts crête (kWc, puissance maximale d'une installation) et les centrales au sol,

et des tarifs d'achat augmentés de 5 % et révisés chaque trimestre pour les installations

"incorporées à la toiture du bâtiment".

Dans le même temps, il s'agit de défendre un "patriotisme écologique", soit, pour la ministre, de

"réorienter la politique de soutien vers la mise en place d'une filière industrielle durable". Un

protectionnisme qui se traduit par une bonification sur le tarif de rachat de l'électricité pouvant

atteindre 10 % pour des modules photovoltaïques produits en Europe.

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compact fluorescent lamps (CFLs)

LED pour l’éclairage

Organic light-emitting-diode lighting overview

Yuan-Sheng Tyan, Journal of Photonics for Energy011009-1 Vol. 1, 2011

incandescent lamps

LED

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• Eclairage publique en lumière blanche

• Plus agréable, plus sur, plus économe que les lampes à vapeur de sodium

LED pour l’éclairage

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Objectifs de ce cours :

• Rappels, notion de diagramme de bandes• Contact Metal Semiconducteur• Capacité MOS

La suite du cours en 3A : PNS PMNT ou OR• Optique et semiconducteurs, J E Broquin• Composants Photovoltaiques, A. Kaminski• Physique des composants MOS avancés, Q. Rafhay

Enseignants de TD : • Q. Rafhay (quentin.rafhay@phelma.grenoble-inp.fr)• A. Revaux (amelie.revaux@cea.fr)