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Semiconducteurs Propriétés – Jonction p-n. 2 Historique

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Présentation au sujet: "Semiconducteurs Propriétés – Jonction p-n. 2 Historique"— Transcription de la présentation:

1 Semiconducteurs Propriétés – Jonction p-n

2 2 Historique

3 3 Liaisons dans les solides Solides cristallins Solide = arrangement périodique datomes Réseaux cristallins: minéralogie 1912 (Laue): diffraction des rayons X Liaison métallique Ions positifs Gaz délectrons libres entre les ions -annule la répulsion entre les ions -grande mobilité haute conductivité électrique Max von Laue

4 4 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

5 5 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 Si5,43 Å Ge5,65 Å

6 6 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 de - Atome du groupe V: 5 / 4 de - Total: 2 e - Composés ternaires 2 types datomes du groupe III (Ga 1-x Al x As, GaInP, …)

7 7 Bande interdite (gap) Écart minimum entre bande de valence bande de conduction Gap Direct (même ) Indirect ( différents)

8 8 Création de paires électron-trou Si T > 0 e - passent de la bv à la bc Apparition de - libres (conduction) Apparition de trous dans la bv Concentrations n (e - / cm 3 ) = p (trous / cm 3 ) = n i paire électron-trou (semiconducteur intrinsèque)

9 9 Nombre de paires Création favorisée par la température Recombinaison libération dénergie en -chaleur -émission de photons fonction de -température -nombre de paires Nombre total

10 10 Conductivité des semiconducteurs Sous leffet 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

11 11 Semiconducteurs extrinsèques - dopés n Eléments du groupe V As, Sb, P 5 électrons de valence 1 e - excédentaire conduction Dopage = introduction de donneurs – atomes/cm 3 petit par rapport au Si (10 22 ) grand par rapport à n i Conduction majoritaire: par les e -

12 12 Eléments du groupe III B, In, Ga 3 électrons de valence 1 e - manquant trou excédentaire Dopage = introduction daccepteurs – atomes/cm 3 Conduction majoritaire: par les trous Semiconducteurs extrinsèques - dopés p

13 13 Conductivité des semiconducteurs dopés A très basse température impuretés non ionisées conductivité << °C ionisation rapide des impuretés (énergie meV) augmente °C conductivité de type métallique > 150°C création de paires e - - trous (mode intrinsèque)

14 14 Résistivité en fonction du dopage A T° ambiante, toutes les impuretés ionisées En pratique n ~ – cm -3 Si intrinsèque rare proportionnelle à n

15 15 Jonction p-n à léquilibre Jonction N a = concentration daccepteurs dans p N d = concentration de donneurs dans n Concentrations de charges chaque partie est électriquement neutre Zone pZone n N a ions négatifs–N d ions positifs + p p trous ( N a )+n n électrons ( N d ) – n p électrons –p n trous + Porteurs majoritaires Porteurs minoritaires

16 16 Mise en contact Diffusion e - de n vers p trous de p vers n courant de porteurs majoritaires: I 1 Equilibre des charges rompu recombinaison des e - et des trous charges des ions plus compensées zone de déplétion -pas de charge libre -champ

17 17 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 I 2 : courant de dérive (de n vers p) principalement fonction du nombre de porteurs fonction de la T° Equilibre I 1 = - I 2

18 18 Potentiel à léquilibre Potentiel de diffusion V 0 : barrière de potentiel Energie potentielle des e - E p = -eV

19 19 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

20 20 Diode: courbe I / V Diode Convention V positif si + sur anode et – sur cathode I positif si passe de cathode vers lanode par lextérieur Equation caractéristique

21 Photodétecteurs Principes - Applications

22 22 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 > E g

23 23 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

24 24 Temps de réponse Paires e - -trou créées dans la zone de charge despace très rapidement accélérées réponse quasi-immédiate Zone très mince beaucoup de paires créées en-dehors beaucoup de retard temps de réponse long (µs)

25 25 Photodiodes PIN Principe augmenter lépaisseur de la zone de charge despace intercaler une couche de semiconducteur intrinsèque transfert rapide des charges temps de réponse court (ns)

26 26 Calcul du temps de réponse Mouvement des charges dans la zone intrinsèque d = 15 µm µ p (trous): 350 cm 2 / V.s µ n (e - ): 1500 cm 2 / V.s Vitesse de dérive (des trous)

27 27 Capacité de jonction Accumulation de charges + du côté n - du côté p équivalent à un C de qques pf Schéma équivalent C d en // sur diode réduit le courant externe, dun facteur si

28 28 Réponse spectrale Sensibilité Dépend de augmente avec (plus de photons par watt) limite: < hc / E g -visible, IR proche: Si -IR: InGaAs mais: courant noir ~

29 29 Photodiode à avalanche Principe très grand champ charges peuvent créer des paires e - - trou V extérieur très élevé (500 V) Solution: séparer zone dabsorption ( épaisse) zone de multiplication ( mince) - champ avec V faible Caractéristiques sensibilité >> diode PIN réponse: 100 ps

30 30 Cellule photovoltaïque Principe photodiode ordinaire pas de polarisation V = V 0 0,5 V (Si) Utilisation p n R + - i


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