Propriétés – Jonction p-n Semiconducteurs Propriétés – Jonction p-n

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

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 Laue 1879-1960

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

Structure du silicium Structure diamant 4 Liaisons 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

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, …)

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

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)

Nombre de paires Création Recombinaison Nombre total favorisée par la température Recombinaison libération d’énergie en chaleur émission de photons fonction de température nombre de paires Nombre total

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

Semiconducteurs extrinsèques - dopés n Eléments du groupe V As, Sb, P 5 électrons de valence 1 e- excédentaire  conduction Dopage = introduction de donneurs 1014 – 1019 atomes/cm3 petit par rapport au Si (1022) grand par rapport à ni Conduction majoritaire: par les e-

Semiconducteurs extrinsèques - dopés p 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

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)

Résistivité en fonction du dopage A T° ambiante, toutes les impuretés ionisées En pratique n ~ 1014 – 1019 cm-3 Si intrinsèque rare  s proportionnelle à n

Jonction p-n à l’équilibre 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

Mise en contact Diffusion Equilibre des charges rompu 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

Mise en contact (2) Champ E grandit Porteurs minoritaires Equilibre 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

Potentiel à l’équilibre Potentiel de diffusion V0: barrière de potentiel Energie potentielle des e- Ep = -eV

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

Diode: courbe I / V Diode Convention Equation caractéristique V positif si + sur anode et – sur cathode I positif si passe de cathode vers l’anode par l’extérieur Equation caractéristique

Principes - Applications Photodétecteurs Principes - Applications

Photodiode p-n Principe Action des photons 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

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

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)

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)

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)

Capacité de jonction Accumulation de charges Schéma équivalent + 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

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

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 (p épaisse) zone de multiplication (p mince) - champ avec V faible Caractéristiques sensibilité >> diode PIN réponse: 100 ps

Cellule photovoltaïque Principe photodiode ordinaire pas de polarisation V = V0  0,5 V (Si) Utilisation p n R + - i