Ch2 Presentation 1.1

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FST lectronique Lineaire

H.Aissaoui Mars 2006 Chapitre 2 Page 1 de 20

CHAPITRE II SEMI-CONDUCTEURS

SEMI-CONDUCTEURS

LA THORIE ET LES CARACTRISTIQUES DES SEMI-CONDUCTEURSLatome, le noyau, le proton, le neutron et llectronLatome

LATOME est compos dun NOYAU et dLECTRONS.LATOME est lectriquement NEUTRE

Le NOYAU contient des PROTONS et des NEUTRONSLe NOYAU est entour par des LECTRONS

Le PROTON a une CHARGE POSITIVE.Le NEUTRON na PAS DE CHARGE.LLECTRON a une CHARGE NGATIVE.

Notes

*Le NOYAU a une CHARGE POSITIVE et attire les LECTRONS.*D au mouvement des LECTRONS (force centrifuge), les LECTRONS ne tombent pas sur le

NOYAU.*Nous allons nous concentrer plus sur les LECTRONS car ltude des semi conducteurs est pluttaborde laide des LECTRONS.


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Les lectrons

Les LECTRONS sont sur DIFFRENTES COUCHES ET SOUS COUCHES.

2.1.1. Les atomes des semi-conducteurs2.1.1.1. Les semi-conducteurs

Il y a une trs grande varit de semi-conducteurs.-Les semi-conducteurs construits avec des liaisons covalentes groupe IV-Les semi-conducteurs construits avec diffrents groupes

-Les semi-conducteurs construits avec des liaisons ioniques

Groupe III IV V

Elment B (Boron)type p C (Carbone) N (Nitrogne)Elment Al (Aluminium) Si (Silicium) P (Phosphore)Elment Ga (Gallium) Ge (Germanium) As (Arsenic)Elment In (Indium) Sn (tain) Sb (Antimoine)type n

lments chimiques


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Latome de Silicium (Si)

Latome de Silicium a 14 LECTRONS1re couche (s) 2 LECTRONS=22me couche (s, p) 2 LECTRONSet6 LECTRONS=83me couche (s, p) 2 LECTRONSet 2 LECTRONS=4

Exemple 4 atomes avoisinants de Si se combinent avec latome de Si et chacun des 4 atomesfournit un LECTRON DE VALENCE pour complter lORBITE DE VALENCE de celui-ci.


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La structure cristalline de Silicium et la liaison covalente

Les atomes combins de Si forment un solide sous forme dune structure ordonne appeleSTRUCTURE CRISTALLINE

Les forces qui maintiennent les atomes ensemble sappellent les LIAISONS COVALENTES.

Les bandes dnergie des isolants lectriques, des semi-conducteurs et les conducteurslectriques

En physique quantique, chaque orbite ou couche a un niveau nergtique ou nergie de potentiel parrapport au noyau.Plus lorbite est grande plus lnergie de lLECTRON est grande, donc il faut une nergie externe(chaleur, lumire, rayonnement) plus faible pour dplacer cet LECTRONLorsquon combine des atomes de Si en un CRISTAL, les charges de nombreux atomes adjacentsinfluencent sur lorbite dun LECTRON.Chaque LECTRON dun atome de Si a une position diffrente dans un CRISTAL, donc celui-civoit une structure des charges avoisinantes diffrentes.Comme exemple, lORBITE DE VALENCE des LECTRONS de chaque atome est diffrente avecun niveau dnergie lgrement diffrent ( cause de linfluence de la prsence des autres atomes).Cette diffrence dnergie constitue ainsi une BANDE DNERGIE.Donc on ne parle pas dune nergie de COUCHE DE VALENCE mais plutt dune BANDEDNERGIE DE VALENCE ou BANDE DE VALENCE

Notes


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*Un LECTRON possde une quantit dnergie en eV (ElectronVolt). Cette nergie dpendde latome et de lorbite o se trouve lLECTRON (1 eV = 1.6*10 19 Joule).*Les LECTRONS qui circulent sur une orbite extrmement grande (haut niveau dnergie)sappellent des LECTRONS LIBRES*Cette ORBITE ou BANDE DNERGIE avec des LECTRONS LIBRES sappelle BANDEDE CONDUCTION*Les LECTRONS LIBRES ressentent peine lattraction du NOYAU.*Un LECTRON de la COUCHE DE VALENCE possde dj une nergie leve, une petitenergie additionnelle suffirait le rendre LECTRON LIBRE (e- de valence + nergie e-

libre).

*Un LECTRON de la COUCHE INTERNE possde trs peu dnergie, une grande nergieadditionnelle est ncessaire pour le librer.*Un LECTRON LIBRE peut perdre de lnergie et tomber dans la COUCHE DE VALENCERestitution de lnergie sous forme de chaleur, lumire ou rayonnement.*Dans les semi-conducteurs, les 2 bandes intressantes sont

LA BANDE DE VALENCELA BANDE DE CONDUCTION.

*Entre chaque bande de la bande dnergie, il existe une bande appeleBANDE INTERDITE.Entre la BANDE DE VALENCE ET LA BANDE DE CONDUCTION,LA BANDE INTERDITE est diffrente pour chaque matriau (1.1 eV pour le Si et 0.67 pourle Ge).


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Les semi-conducteurs intrinsques

Silicium intrinsque

Le Silicium (Si) intrinsque est un semi-conducteur pur avec des LIAISONS COVALENTES.

T = 0 o K le Si pur se comporte comme un isolant(BANDE DE CONDUCTION vide).Si Intrinsque= Isolant lectrique T = 0 K

T = 25 o C, lnergie thermique CASSE ou BRISE quelques LIAISONS COVALENTES. Aveccette rupture de liaisons, des LECTRONS DE VALENCE sont relchs et il y a cration desTROUS.


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Si Intrinsque= entre Isolant et Conducteur lectrique T 0 K

Gnration des lectrons libres et des trous

des temprature plus leve que T = 0 o K, les LECTRONS DE VALENCE reoiventsuffisamment dnergie thermique pour devenir des LECTRONS LIBRES sur la COUCHE DECONDUCTION, laissant derrire eux des lacunes ou des TROUS dans la COUCHE DE VALENCETROUS DE VALENCE (les TROUS sont des particules positives).

GNRATION= RCEPTION DNERGIE THERMIQUE

(ou autre type dnergie) GNRATION dLECTRONS LIBRES GNRATION de TROUS

Recombinaison des lectrons libres et des trous

Lorbite de la BANDE DE CONDUCTION dun atome coupe parfois lORBITE DES TROUS(LORBITE DE VALENCE) dun autre atome et le TROU capte cet LECTRON LIBRE.

RECOMBINAISON=MECANISME DE FUSION DLECTRONS LIBRES ET DE TROUSDure de vieLe temps moyen qui scoule entre la gnration et la recombinaison dunpaire LECTRON LIBRE/TROU sappelle dure de vie ( life time ).


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La conductivit et la rsistivitLa conductivit dun conducteur

= q. n c . = v . La conductivit dun semi-conducteuri = q. [(n. n ) + (p. p )] = q. n i . ( n + p )

O

q = 1.6*10 19 (Charge lectrique de llectron) (C)

n c =

A.L

N= (Concentration volumique de charge) (1/m 3 )

n = (Concentration dlectron libre) (1/m 3 )p = (Concentration des trous) (1/m 3 )n i = (Concentration du semi-conducteur intrinsque) (1/m 3 )

N = (Nombre dlectron libre)L = (Longueur du conducteur) (m)A = (Surface du conducteur) (m 2 ) v = (Densit volumique de charge) (C/ m 3 )= (Mobilit de llectron libre) (m 2 /Vs) n = (Mobilit de llectron du semi-conducteur) (m 2 /Vs) p = (Mobilit du trou du semi-conducteur) (m 2 /Vs)


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Note*J = . E, donc J = ( v . ) . E (J = densit de courant en A/m

2).*Semi-conducteur intrinsque n = p = n i

Rsistivit = 1/ .

Concentration des atomes

n A =A

AVO

M

d).(N.

N AVO = 6.022*10 23 atomes/g.atomes (Nombre dAvogadro).ExempleAvec les paramtres ci-dessous

Paramtres Silicium Germanium CuivreBande Interdite (eV) 1.1 0.67 N/AMobilit des lectrons(m 2 /V.s)

0.135 0.39 0.0043

Mobilit des trous

(m2

/V.s)

0.048 0.19 N/A

n i(/ m3 ) @ 25 o C 1.5*1016 2.4*10 19 1 lectron par

atomeDensit d (g/m 3 ) 2.33*10 6 5.32*10 6 8.9*10 6

Rsistivit ( .m) 2300 0.45 1.73*10 8

Mass atomique M A

g/g.atomes

28.09 72.60 63.60


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a) Calculer la conductivit et la rsistivit du cuivre.b) Calculer la conductivit et la rsistivit du Germanium et de Silicium intrinsque 25 o C.

Germanium

N AVO = 6.022*1023 atomes/g.atomes (Nombre dAvogadro)

d = 5.32*10 6 g/m 3 (Densit)M A = 72.60 g/g.atomes (Mass atomique) n = 0.39 m 2 /V.s (Mobilit de llectron) p = 0.19 m 2 /V.s (Mobilit du trou)q = 1.6*10 19 C (Charge de llectron)

n A =A

AVO

M

d).(N

Donc n A = 4.4*1028 atomes/m 3 (Densit des atomes dans le cristal).

n i = 2.4*1019 atomes/m 3 25 o C.

i = q. [(n. n ) + (p. p )] = q. n i . ( n+ p ) (Conductivit)

Donc i = [(2.4*1019 ). (0.39 + 0.19)] . (1.6*10 19 ) = 2.22 S/m.

i = 1/ i (Rsistivit)Donc i = 1 / i = 0.45 .m.


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Silicium

N AVO = 6.022*1023 atomes/g.atomes (Nombre dAvogadro)

d = 2.33*10 6 g/m 3 (Densit)M A = 28.09 g/g.atomes (Mass atomique) n = 0.135 m 2 /V.s (Mobilit de llectron) p = 0.048 m 2 /V.s (Mobilit du trou)q = 1.6*10 19 C (Charge de llectron)

n A =A

AVO

M

d).(N

Donc n A = 5*10 28 atomes/ m 3 (Densit des atomes dans le cristal).n i = 1.5*10

16 atomes/ m 3 25 o C.

i = q. [(n. n ) + (p. p )] = q .n i . ( n + p ) (Conductivit)

Donc i = [(1.5*1016 ). (0.135 + 0.048)] . (1.6*10 19

) = 4.4*10 4 S/m.

i = 1/ i (Rsistivit)Donc i = 1 / i = 2280 .m.


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Conclusion

25 o C

Cuivre = 1.72*10 8 .m ou = 5.8*10 7 S/m, (n A = 8.43*10 28 atomes/m 3 )Trs bon conducteur lectriqueGermanium i = 0.45 .m ou i = 2.22 S/m, (n A = 4.4*10 28 atomes/m 3 )Entre isolant et conducteur lectriqueSilicium i = 2280 .m ou i = 4.4*10 4 S/m, (n A = 5*10 28 atomes/m 3 )Entre isolant et conducteur lectrique.

Notes* Dans cet exemple, pour Sin A = 5*10

28 atomes/m 3 (Densit des atomes dans le cristal)*n i = 1.5*10

16 atomes/m 3 (Densit des LECTRONS/TROUSGnrs).

*i

A

n

n~ 10 12 25 o C, 1 lien est cass pour chaque 10 12 atomes.

NoteIntrinsque seulement gnration thermique Dlectrons libres et de trous en petite quantitExtrinsque ajout dimpurets Dlectrons libres et de trous en grande quantit


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Les semi-conducteurs extrinsques (le dopage type n et type p), les porteurs majoritaires et lesporteurs minoritaires

Pour augmenter des LECTRONS LIBRES ou des TROUS dans un semi-conducteur, on utilise latechnique de la technique de dopage

DOPAGE dun semi-conducteur = Ajout datome dIMPURETS un cristal Semi-conducteur extrinsque.

SEMI-CONDUCTEUR INTRINSQUE + IMPURETS SEMI-CONDUCTEUR EXTRINSQUE.

Ajout datome pentavalent (5 LECTRONS sur la COUCHE DE VALENCE) Type n(1 LECTRON additionnel circule dans la BANDE DE CONDUCTION) Impuret DONNEUR (Antimoine)

Ajout datome Trivalent(3 LECTRONS sur la COUCHE DE VALENCE) Type p(1 TROU dans la BANDE DE VALENCE) Impuret ACCEPTEUR (Boron)


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Les DONNEURS = Arsenic, Antimoine, Phosphore, (Groupe V).Les ACCEPTEURS = Aluminium, Boron, Gallium, (Groupe III).

Avec lajout des impurets, la rsistivit du semi-conducteur extrinsque est bien dfinie.

ANTIMOINE(DONNEUR)

BORONACCEPTEUR


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Notes*Trs Important

Le 5me LECTRON de la COUCHE DE VALENCE du DONNEUR, devient un LECTRONLIBRE sans laisser de TROU et latome du donneur sera stable.

*Type nLECTRONS LIBRES = PORTEURS MAJORITAIRES(Dus aux impurets type n)TROUS = PORTEURS MINORITAIRES(Due la gnration thermique).*Type p

TROUS = PORTEURS MAJORITAIRES(Dus aux impurets type p)LECTRONS LIBRES = PORTEURS MINORITAIRES(Due la gnration thermique).*Silicium intrinsque T = 25 o C n i = nombre dLECTRONS LIBRES = nombre de TROUS.

*La mobilit des LECTRONS LIBRES tant plus grande que celle des TROUS (les TROUSbougent moins vites), on utilise plus des semi- conducteurs type n que du type p( n = 0.135 m 2 /V.s et p = 0.048 m 2 /V.s pour le Silicium).*Notation et relation

pp = Densit des TROUS dans le semi-conducteur type p

= N A= PORTEURS MAJORITAIRES


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np = Densit des LECTRONS LIBRES dans le semi-conducteur type p= PORTEURS MINORITAIRES

n n = Densit des LECTRONS LIBRES dans le semi-conducteur type n= N D = PORTEURS MAJORITAIRES

p n = Densit des TROUS dans le semi-conducteur type n= PORTEURS MINORITAIRES.

*np =A

2i

N

n.

*p n =D

2i

N

n.

Majoritaires Minoritaires Majoritaires MinoritairesLes caractristiques des semi-conducteurs extrinsques

La rsistivit extrinsque

La rsistivit diminue lorsque le niveau de dopage augmenteType n n n = N D augmente diminue

n

n et p

p

p et nn n p p

n

n et p

p

p et nn n p p


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Type p pp = N A augmente diminue

Le coefficient de temprature des semi-conducteurs et des conducteurs

*ConducteurLorsque T augmente R augmente (Coefficient de temprature >0)*Semi-conducteurLorsque T augmente R diminue (Coefficient de temprature


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2 COURANTS de drive (J d n et J d p )

J d Total = (J d n + J d p )

J d Total = e . E J d Total = q. [(n. n ) + (p. p )] . E.

-Courant de Diffusion (Due la diffrence de concentration des porteurs)Lorsquil y a une diffrence de concentration des porteurs dans un semi-conducteur Les LECTRONS LIBRES et les TROUS se dplacent 2 COURANTS de Diffusion (J D n et J D p )

J D Total = (J D n + J D p ) J D Total = q. [(Dn.

dx

dn) - (Dp.

dx

dp)]

O Dn = Constante de diffusion (m 2 /s) pour le type n.Dp = Constante de diffusion (m 2 /s) pour le type p.

dx

dn= Variation de concentration dlectrons par rapport la distance.

dxdp = Variation de concentration de trous par rapport la distance.

Relation dEINSTEINn

n

D

=

p

p

D

=

KT

q.

Courant total


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J Total= J d Total + J D Total

J Total= {q. [(n. n ) + (p. p )]. E} + {q. [(Dn. dxdn

) - (Dp.dx

dp)]}.

LES UTILISATIONS ET LES APPLICATIONS DES SEMI-CONDUCTEURS

Les semi-conducteurs sont utiliss pour la fabrication des composants lectroniques.Composants lectroniques =

-Diodes de diffrents types-Transistors bipolaires et unipolaires (BJT et FET)-Amplificateurs oprationnels (Ampli-Op)

-Circuits Intgrs-Autres.

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