PHYSIQUE DES SEMI-CONDUCTEURS

1 D partement Micro- lectronique et t l communications Premi re ann e 2004/2005 PHYSIQUE DES SEMI-CONDUCTEURS EG(eV)Infra-RougeRougeVisibleVioletUltra -Violet01234131,5100,50,650,35 ( m)InSbGeSiGaAsCdSeAlAsGaPCdSSiCZnSCdxHg1 -xTeGaN A. Chovet P. Masson ECOLE POLYTECHNIQUE UNIVERSITAIRE DE MARSEILLE D partement Micro- lectronique et T l communications PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P. Masson 2 PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P. Masson 3 Avertissement Le pr sent document est une version modifi e (et adapt l Ecole Polytechnique Universitaire de Marseille) du polycopier de cours de PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS de l Ecole Nationale Sup rieure d Electronique et de Radio Electricit de Grenoble (ENSERG ) dispens par A.

2 Chovet et co- crit par A. Chovet et P. Masson. Les auteurs tiennent remercier par avance les lecteurs qui voudront bien faire part de leurs remarques et corrections ventuelles concernant le fond et la forme du document. Comment nous joindre ? Alain CHOVET Professeur IMEP/LPCS, ENSERG 23 rue des Martyrs, BP 257 38016 Grenoble Cedex 1 T l : 04 76 85 60 41 Fax : 04 76 85 60 70 Email : Pascal MASSON Ma tre de Conf rences L2MP/Ecole Polytechnique Universitaire de Marseille (MT) IMT, Technop le de Ch teau Gombert 13451 Marseille Cedex 20 T l : 04 91 05 47 79 Fax : 04 91 05 45 29 Email : Copyright 2001 A. Chovet et P.

3 Masson. Tous droits r serv s 1 re mise jour : ao t 2004 PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P. Masson 4 PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P. Masson 5 Table des mati res Chapitre I. G n ralit 11 Conducteur - Isolant - Structure de l tat Syst me cristallin et r seau Chapitre II. Quelques propri t 13 Cristal cubique ..13 SEMI-CONDUCTEURS de la colonne IV (Ge, Si) - R seau diamant 13 SEMI-CONDUCTEURS compos s (III-V ou II-VI) - R seau Zinc-blende 14 Bandes d Gap direct ou Conduction par lectron ou par trou. Masse effective. Densit d Chapitre III. Semi-conducteur non dop ou dop.

4 19 Semi-conducteur intrins que ..19 Semi-conducteur extrins que : Semi-conducteur de type n 20 Semi-conducteur de type p 21 Semi-conducteur compens ..22 Chapitre IV. Semi-conducteur l 23 Concentration des porteurs libres l quilibre ..23 Distribution de Fermi-Dirac. Niveau de Fermi 23 Concentrations l quilibre, loi d action de masse 24 Equation de la neutralit lectrique 26 Le niveau de Fermi dans une structure l' Propri t fondamentale 27 Illustrations 28 Application : ddp interne d'une jonction pn l' quilibre 28 Chapitre V. Equation de Poisson - Cons 31 Chapitre VI. Perturbations faibles de l quilibre : transport de charges35 Mobilit des porteurs Conduction et conductivit.

5 38 Diffusion des porteurs ..39 Courant de d Transport de charges en pr sence de champs lectrique et magn tique. Effet Hall - Magn tor PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P. Masson 6 Chapitre VII. Perturbations fortes de l quilibre : cr ation et disparition de 45 Cr ation de Cr ation par nergie lumineuse (par photons) 45 Cr ation par des particules (ou radiations) ionisantes 46 Cr ation par porteurs chauds (champ lectrique intense) 47 Cr ation par injection de porteurs 47 Quasi-niveaux de Recombinaison (disparition) et dur e de vie des porteurs Expression de la dur e de vie (cas de recombinaison directe) 50 Dur e de vie dans le cas d'une recombinaison indirecte 51 Recombinaison en surface 52 Photoconductivit.

6 52 La Photoluminescence 53 Cathodoluminescence 53 Electroluminescence 53 Chapitre VIII. Equations d volution (espace et temps).. 55 Equations de continuit (ou quations de conservation de chaque type de porteurs)..55 Equation de conservation de la Equation de continuit ambipolaire (ou g n ralis e) ..56 Exemples d Dur e de vie et longueur de diffusion 57 Temps de relaxation di lectrique et longueur de Debye 59 Chapitre IX. Fluctuations et bruit 61 Bruit de grenaille ( shot noise )..61 Bruit thermique (de Nyquist ou de Johnson) ..62 Bruit de g n ration - recombinaison (GR).

7 63 Bruit en 1/f (ou de scintillement ou Flicker noise )..63 Chapitre X. Contact entre deux mat riaux diff rents - H t 65 Travail de sortie - Affinit lectronique - Barri re de Contact M tal - semi-conducteur r L'oxyde natif 66 Les tats d'interface (ou tats de surface) 67 Description qualitative de la relation I(V) d'un contact M - Contact redresseur ( diode SCHOTTKY ) 68 Contact ohmique 69 H t Diagramme des bandes d' nergie 70 PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P. Masson 7 Applications : localisation et transport des porteurs 72 PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P.

8 Masson 8 PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P. Masson 9 Table des symboles, notations et abr viations Symboles unit signification BC - Bande de Conduction BV - Bande de Valence Cox Fm-2 Capacit d oxyde Dn,p m2s-1 Coefficient de diffusion des lectrons (indice n) ou des trous (indice p) E J (ou eV) Energie EA J (ou eV) Niveau d nergie des tats accepteurs EC J (ou eV) Energie du bas de la bande de conduction ED J (ou eV) Niveau d nergie des tats donneurs EF J (ou eV) Niveau de Fermi EFi J (ou eV) Niveau de Fermi du mat riau intrins que EFM J (ou eV) Niveau de Fermi d un m tal EFSC J (ou eV) Niveau de Fermi du semi-conducteur EG J (ou eV)

9 Gap ou largeur de la Bande Interdite Ei J (ou eV) Energie du milieu de la bande interdite (EC+EV)/2 EV J (ou eV) Energie du haut de la bande de valence Er Vm-1 Champ lectrique fn(E) - Probabilit d occupation d un niveau d nergie E par un lectron fp(E) - Probabilit d occupation d un niveau d nergie E par un trou Gn,p m-3s-1 Taux de g n ration d lectrons (indice n) ou de trous (indice p) h Js Constante de Planck (6,62 10-34 ) h Js Constante de Planck r duite (h/2 ) jr Am-2 Densit de courant flux m-2s-1 Flux (de porteurs) k JK-1 Constante de Boltzmann (1,38 10-23 ) Ln,p m Longueur de diffusion des lectrons (indice n) ou des trous (indice p) mn kg Masse effective des lectrons mp kg Masse effective des trous NA m-3 (ou cm-3) Concentration en impuret s (dopant) de type accepteur NA m-3 (ou cm-3) Concentration en impuret s ionis es de type accepteur NC m-3 (ou cm-3) Densit d tats quivalente dans la BC, ramen e en EC ND m-3 (ou cm-3) Concentration en impuret s (dopant) de type donneur ND+ m-3 (ou cm-3) Concentration en impuret s ionis es de type donneur NV m-3 (ou cm-3) Densit d tats quivalente dans la BV, ramen e en EV n0 m-3 (ou cm-3)

10 Concentration en lectrons libres l quilibre thermodynamique n(E) m-3J-1 Densit nerg tique des lectrons dans la BC nC(E) m-3J-1 Densit d tats dans la BC ni m-3 (ou cm-3) Concentration intrins que de porteurs libres nV(E) m-3J-1 Densit d tats dans la BV p0 m-3 (ou cm-3) Concentration en trous libres l quilibre thermodynamique p(E) m-3J-1 Densit nerg tique des trous dans la BV QD Cm-2 Charge de la zone de d sertion QM Cm-2 Charge dans le m tal Qinv (Qn, Qp) Cm-2 Charge de la zone d inversion Qox Cm-2 Charge dans l isolant (oxyde) QSS = Qit Cm-2 Charge due aux tats de surface = d interface PHYSIQUE des SEMI-CONDUCTEURS A Chovet & P.