Pensez à la partie application traitée sous forme de projet Séances à venir : 20/11 – 27/11 – 11/12 – 18/12 – 20/12 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

Semi-conducteurs 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 T ½ cond. V I Si T augmente, le nombre de porteurs augmente, R = U/I diminue. Thermistance

Photon > paire électron-trou 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 hn BV BC Photon > paire électron-trou Photorésistance V I 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

Description simple : on oublie les porteurs minoritaires 1- à l’équilibre = pas de champ appliqué + - : charges fixes (dopants ionisés) : charges mobiles (trous, électrons) + + - + - - - - + - + + - + - + - - + + - - - + + + - + - - + - + - + - + + - + Eeq Zone de déplétion : plus de porteurs (majoritaires) libres !

Description simple : on oublie les porteurs minoritaires 2- hors équilibre = avec tension appliquée + - - + - - + + Eeq - - + + - + + - 1011 cm-3 1016 cm-3 r R>>r U Ur UR Ur La tension appliquée se retrouve aux bornes de la zone de déplétion, où elle crée un champ électrique

Description simple : on oublie les porteurs minoritaires 3- avec tension appliquée en sens direct - + - I - Eeq + + - - Eapp + + - + + - Dans le sens direct : existence d’un courant Annihilation 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 minoritaires 4- avec tension appliquée en sens indirect Eeq Eapp - + - - + + - - + - + + - + + - i Dans le sens indirect : → pas de courant → sauf si photons injectés dans la zone de déplétion (photodiode !)

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 → 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 Dopage n Dopage p BV BC Mode opératoire « théorique »

Description en termes de niveaux d’énergie : à l’équilibre Dopage n Dopage p BV BC Mode opératoire « théorique » 1- mise en contact des régions n et p

Description en termes de niveaux d’énergie : à l’équilibre Dopage n Dopage p BC BV Mode opératoire « théorique » 1- mise en contact des régions n et p 2- raccordement des niveaux de Fermi

Description en termes de niveau d’énergie : à l’équilibre Dopage n Dopage p BC BV Mode opératoire « théorique » 1- mise en contact des régions n et p 2- raccordement des niveaux de Fermi 3- progressivité du raccordement des bandes r+ r-

Description en termes de niveau d’énergie : à l’équilibre Dopage n Dopage p Niveau de Fermi au milieu du gap ↔ comme semi-conducteur intrinsèque ↔ très peu de porteurs libres !!! BC BV - - - - - + + + + + Dans le diagramme énergétique : les électrons cherchent à descendre les trous cherchent à monter Mode opératoire « théorique » 1- mise en contact des régions n et p 2- raccordement des niveaux de Fermi 3- progressivité du raccordement des bandes 4- où sont les porteurs libres ?

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens passant Dopage n Dopage p BC BV Mode opératoire « théorique » 1- on part de l’état d’équilibre

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens passant Dopage n Dopage p Région n : pas de champ → quasi-niveau de Fermi BC Région p : pas de champ → quasi-niveau de Fermi 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 – eV donc l’énergie de la zone n monte par rapport à celle de la zone p

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens passant Dopage n Dopage p Région p : pas de champ → quasi-niveau de Fermi BC Région n : pas de champ → quasi-niveau de Fermi 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)

Description en termes de niveau d’énergie : polarisation en sens passant Dopage n Dopage p - - - - - BC BV + + + + + Mode opératoire « théorique » 4- on place les charges majoritaires dans les régions n et p

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens passant Dopage n Dopage p - - - - - 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 Il s’établit courant électrique, accompagné de rencontres électron trou → création de hn si gap direct : LED

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens bloquant Dopage n Dopage p BC BV Mode opératoire « théorique » 1- on part de l’état d’équilibre

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens bloquant Dopage n Dopage p BC Région n : pas de champ → quasi-niveau de Fermi Région p : pas de champ → quasi-niveau de Fermi 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 – eV donc l’énergie de la zone n baisse par rapport à celle de la zone p

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens bloquant Dopage n Dopage p BC Région n : pas de champ → quasi-niveau de Fermi Région p : pas de champ → quasi-niveau de Fermi 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)

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens bloquant Dopage n Dopage p BC + + + + + - - - - - BV Mode opératoire « théorique » 4- on place les charges majoritaires dans les régions n et p

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens bloquant Dopage n Dopage p 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

Description en termes de niveaux d’énergie : polarisation en sens bloquant Dopage n Dopage p 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 : hn → courant électrique : photodiode

Conduction uniquement par les électrons ! 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 Equilibre Dopage p Dopage n BC BV BC BV BC BV - - - - - + + + + + Conduction uniquement par les électrons ! Le niveau de Fermi se sépare en 2 quasi niveaux Hors équilibre

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 Dopage p Dopage p Dopage n Mise à l’équilibre Semi-conducteurs isolés

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 Dopage p Dopage p Dopage n Mise à l’équilibre : niveau de Fermi commun.

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 Dopage p Dopage p Dopage n Polarisation. La tension appliquée se répartit aux bornes de deux zones de déplétion → le niveau de Fermi se sépare en 3 quasi niveaux.

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 Dopage p Dopage p Dopage n - - - - - + + + + + + + + + + Les porteurs majoritaires de chaque zone peuvent se déplacer Dans le diagramme énergétique : les électrons cherchent à descendre les trous cherchent à monter

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 Dopage p Dopage p Dopage 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

Diode à puits quantique Courant électrique z E BC BV d z hn d~10nm Dimension très petite : le mouvement des électrons et des trous dans la direction z est quantifié

Puits quantique : énergie, transition 1 2 3 Transitions intra-bandes. DE déterminé par la hauteur du puits quantique inter-bandes. DE déterminé par la dimension du puits quantique et la largeur du gap n E k// 1 2 3 Bande de conduction valence En x ou y : E = ½ kx2 → dispersion parabolique En z, quantification → niveaux discrets

Puits quantique : énergie, transition 1 2 3 Transitions intra-bandes. DE déterminé par la hauteur Dz du puits quantique inter-bandes. DE déterminé par la hauteur Dz du puits quantique et par le gap n E k// 1 2 3 Bande de conduction valence En x ou y : E = ½ kx2 → dispersion parabolique En z, quantification → niveaux discrets

Métal Oxyde Semi-conducteur Pas de courant dans la « jonction » Apparition locale d’une zone (n). Stockage d’électrons issus seulement de création de paires !! E BC BV Avant relaxation A l’équilibre Sous tension VSC>Vmétal Dopage p