pensez à la partie application traitée sous forme de projet propositions les photodiodes pin...
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Pensez à la partie application traitée sous forme de projet
Propositions• les photodiodes PIN• capteurs à semi-conducteur dans un smartphone : température, accélération, altitude, horizontalité, champ magnétique, etc...• diodes laser pour les télécoms• diodes laser de puissance• couleurs des diodes électroluminescentes
Séances à venir : 20/11 – 27/11 – 11/12 – 18/12 – 20/12
Jusqu’ici : définition de milieux où on contrôle la nature et la concentration des porteurs de charge électrique sur une large plage de valeurs.
Application possible : la résistance d’un ½ conducteur intrinsèque liée au nombre de paires électrons trous
½ cond.
V
I
T
Si T augmente, le nombre de porteurs augmente, R = U/I diminue.
Thermistance
Semi-conducteurs
Jusqu’ici : fabrication de milieux où on contrôle la nature et la concentration des porteurs de charge électrique sur une large plage de valeurs.
Application possible : la résistance d’un ½ conducteur intrinsèque liée au nombre de paires électrons trous
V
I
h
h
BV
BCPhoton > paire électron-trou
Photorésistance
Tout cela est bien peu comparé au champ d’application des jonctions !!
Jonction pn = « collage » d’un même semi-conducteur dopé p et dopé n.Collage entre guillemets car l’ordre cristallin est conservé.
BC
BV
BC
BV
Région dopée n Région dopée p
+
+
+
+
+
+
++
+
+
-
-
-
-
--
- -
-
-
Zone de déplétion : plus de porteurs (majoritaires) libres !
-
-
-
+
+
+
Eeq
-
-
-
- -
-
-
+
+
++
+
+
+
+ - : charges fixes (dopants ionisés)-+ : charges mobiles (trous, électrons)
Description simple : on oublie les porteurs minoritaires1- à l’équilibre = pas de champ appliqué
+
+
+
+
+
+
++
+
+
-
-
-
-
--
- -
-
-
-
-
-
- -
-
-
+
+
++
+
+
+
Description simple : on oublie les porteurs minoritaires2- hors équilibre = avec tension appliquée
1011 cm-3 1016 cm-31016 cm-3
Eeq
r R>>r r
U
Ur UR Ur
UrR
RUR
2La tension appliquée se retrouve aux bornes de la zone de déplétion, où elle crée un champ électrique
-
-
-
- -
-
-
+
+
++
+
+
+
Description simple : on oublie les porteurs minoritaires3- avec tension appliquée en sens direct
Eeq
Eapp
I
Dans le sens direct : existence d’un courantAnnihilation de paires électron-trou
→ photons si gap direct (LED !)→ échauffement si gap indirect→ chute de tension dans tous les cas
-
-
-
- -
-
-
+
+
++
+
+
+
Description simple : on oublie les porteurs minoritaires4- avec tension appliquée en sens indirect
Eeq Eapp
→ sauf si photons injectés dans la zone de déplétion (photodiode !)
- +
i
Dans le sens indirect :→ pas de courant
-
-
-
- -
-
-
+
+
++
+
+
+
Description dynamique avec les porteurs minoritaires
Eeq
-
+
Porteurs majoritaires→ très nombreux→ mais seule une toute petite fraction possède assez d’énergie pour franchir la zone de déplétion
Porteurs majoritaires→ très rares→ franchissent très facilement la zone de déplétion
A l’équilibre, compensation entre le courant de diffusion des porteurs majoritaires et le courant d’entrainement des porteurs minoritaires
Description en termes de niveaux d’énergie :analogie ferroviaire
Wagon dopé V Wagon dopé S
Mise en contact des deux wagons → le même état d’équilibre dans les deux wagons, dans tout le train
En langage semi-conducteur :équilibre = raccordement des niveaux de Fermi
Description en termes de niveaux d’énergie :à l’équilibre
BC
BV
Mode opératoire « théorique »
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :à l’équilibre
BC
BV
Mode opératoire « théorique »1- mise en contact des régions n et p
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :à l’équilibre
BC
BV
Mode opératoire « théorique »1- mise en contact des régions n et p2- raccordement des niveaux de Fermi
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveau d’énergie :à l’équilibre
BC
BV
Mode opératoire « théorique »1- mise en contact des régions n et p2- raccordement des niveaux de Fermi3- progressivité du raccordement des bandes
+ -
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveau d’énergie :à l’équilibre
BC
BV
Mode opératoire « théorique »1- mise en contact des régions n et p2- raccordement des niveaux de Fermi3- progressivité du raccordement des bandes4- où sont les porteurs libres ?
+ + + + +- - - - -
Dans le diagramme énergétique :
les électrons cherchent à descendre
les trous cherchent à monter
Niveau de Fermi au milieu du gap ↔ comme semi-conducteur intrinsèque ↔ très peu de porteurs libres !!!
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens passant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »1- on part de l’état d’équilibre
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens passant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »2- la tension applique se retrouve aux bornes de la zone de déplétion. Dans le sens direct :
Vn < Vp
energie d’un électron = énergie à l’équilibre – eVdonc l’énergie de la zone n monte par rapport à celle de la zone p
Région p : pas de champ → quasi-niveau de Fermi
Région n : pas de champ → quasi-niveau de Fermi
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens passant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »3- on raccorde les bandes d’énergie dans la zone de déplétion. Le niveau de Fermi n’y est pas défini (hors équilibre)
Région n : pas de champ → quasi-niveau de Fermi
Région p : pas de champ → quasi-niveau de Fermi
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveau d’énergie :polarisation en sens passant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »4- on place les charges majoritaires dans les régions n et p
+ + + + +
- - - - -
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens passant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »5- on regarde le mouvement des charges libres.
+ + + + +
- - - - -
Dans le diagramme énergétique :
les électrons cherchent à descendre
les trous cherchent à monter
Dopage n Dopage p
Il s’établit courant électrique, accompagné de rencontres électron trou → création de h si gap direct : LED
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens bloquant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »1- on part de l’état d’équilibre
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens bloquant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »2- la tension applique se retrouve aux bornes de la zone de déplétion. Sens bloquant :
Vn > Vp
énergie d’un électron = énergie à l’équilibre – eVdonc l’énergie de la zone n baisse par rapport à celle de la zone p
Région n : pas de champ → quasi-niveau de FermiRégion p : pas de
champ → quasi-niveau de Fermi
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens bloquant
BC
BV
Région n : pas de champ → quasi-niveau de FermiRégion p : pas de
champ → quasi-niveau de Fermi
Mode opératoire « théorique »3- on raccorde les bandes d’énergie dans la zone de déplétion. Le niveau de Fermi n’y est pas défini (hors équilibre)
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens bloquant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »4- on place les charges majoritaires dans les régions n et p
+ + + + +- - - - -
Dopage n Dopage p
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens bloquant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »5- on regarde le mouvement des charges libres
+ + + + +- - - - -
Dopage n Dopage p
Dans le diagramme énergétique :
les électrons cherchent à descendre
les trous cherchent à monter
Description en termes de niveaux d’énergie :polarisation en sens bloquant
BC
BV
Mode opératoire « théorique »6- pas de déplacement de porteurs majoritaires, mais si une paire électron-trou est créée dans la zone de déplétion, l’électron et le trou sont accélérés dans des régions où ils ne peuvent pas se recombiner. Bilan : h → courant électrique : photodiode
-
+
Dopage n Dopage p
+ + + + +- - - - -
BC
BV
Hétérojonctions
Deux-semi conducteurs compatible au niveau cristallographique mais de gaps différents. Exemple : Ga As dopé p et Alx Ga1-x As dopé n
BC
BV
BC
BV
+ + + + +
- - - - -
BC
BV
BC
BV
- - - - -
+ + + + +
Conduction uniquement par les électrons !
Le niveau de Fermi se sépare en 2 quasi niveaux
Equ
ilibr
eH
ors
équi
libre
Dopage p Dopage n
Double hétérojonction
Trois semi-conducteurs compatible au niveau cristallographique mais de gaps différents. Exemple : Alx Ga1-x As dopé p Ga As dopé p et Alx Ga1-x As dopé n
Semi-conducteurs isolés
Mise à l’équilibre
Dopage p Dopage nDopage p
Double hétérojonction
Trois semi-conducteurs compatible au niveau cristallographique mais de gaps différents. Exemple : Alx Ga1-x As dopé p Ga As dopé p et Alx Ga1-x As dopé n
Mise à l’équilibre : niveau de Fermi commun.
Dopage p Dopage nDopage p
Double hétérojonction
Trois semi-conducteurs compatible au niveau cristallographique mais de gaps différents. Exemple : Alx Ga1-x As dopé p Ga As dopé p et Alx Ga1-x As dopé n
Polarisation. La tension appliquée se répartit aux bornes de deux zones de déplétion → le niveau de Fermi se sépare en 3 quasi niveaux.
Dopage p Dopage nDopage p
Double hétérojonction
+ + + + +
- - - - -
+ + + + +
Trois semi-conducteurs compatible au niveau cristallographique mais de gaps différents. Exemple : Alx Ga1-x As dopé p Ga As dopé p et Alx Ga1-x As dopé n
Les porteurs majoritaires de chaque zone peuvent se déplacer
Dans le diagramme énergétique :
les électrons cherchent à descendre
les trous cherchent à monter
Dopage p Dopage nDopage p
Double hétérojonction
Trois semi-conducteurs compatible au niveau cristallographique mais de gaps différents. Exemple : Alx Ga1-x As dopé p Ga As dopé p et Alx Ga1-x As dopé n
+ + + + +
- - - - -
Les porteurs libres (électrons et trous) sont piégés dans la zone intermédiaire. Seule échappatoire : annihilation de paires électrons trous.
Ga As ½ conducteur à gap direct → diode laser
Dopage p Dopage nDopage p
z
EBC
BV
d
z
d~10nm
Diode à puits quantique
Courant électrique
h
Dimension très petite : le mouvement des électrons et des trous dans la direction z est quantifié
1
2
3
3
21
Transitionsintra-bandes.E déterminé par la hauteur du puits quantique
Transitionsinter-bandes.E déterminé par
la dimension du puits quantique et la largeur du gap
n
E
k//
1
2
3
1
2
3
Bandede
conduction
Bandede
valence
Puits quantique : énergie, transition
En x ou y : E = ½ kx2 → dispersion parabolique
En z, quantification → niveaux discrets
1
2
3
3
21
Transitionsintra-bandes.E déterminé par la hauteur z du puits quantique
Transitionsinter-bandes.E déterminé par la hauteur Dz du
puits quantique et par le gap
n
E
k//
1
2
3
1
2
3
Bandede
conduction
Bandede
valence
Puits quantique : énergie, transition
En x ou y : E = ½ kx2 → dispersion parabolique
En z, quantification → niveaux discrets
E
BC
BV
Avant relaxation A l’équilibre
Métal Oxyde Semi-conducteurPas de courant dans la « jonction »
Sous tensionVSC>Vmétal
Apparition locale d’une zone (n).Stockage d’électrons issus seulement de création de paires !!
Dopage p