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Univ. de LorraineMaster PAIP

UE Comp. opt.

Composantselementaires

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Introduction

Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions

Transistor bipolaire

Transistor a effetde champ

Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Universite de LorraineMaster PAIP

Physique Appliquee et Ingenierie Physique

UE Composants pour l’optique etl’optoelectronique

EC Composants elementaires

Sidi HAMADYProfesseur des [email protected] Physique Appliquee et Ingenierie Physique (PAIP)Universite de Lorraine

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Jonction PN

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Transistor HEMT

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References

Presentation du contenu de l’UE

UE Composants pour l’optique et l’optoelectronique

I Physique des composants a semi-conducteurs et leurtechnologie

I Fonctionnement des composants

I Decouverte de la conception, elaboration des materiaux,caracterisation (TP ← 16h 16h 16h)

I Composants elementaires (EC ← 20h) :Jonctions PN, Transistors, Diodeselectroluminescentes, Photodetecteurs

I Cellules photovoltaıques (EC ← 10h)

I Nano-composants (EC ← 10h)

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Jonction PN

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References

Presentation du contenu de l’EC


I Cristallographie, Bandes d’energie (Rappels)

I Techniques d’elaboration des semi-conducteurs

I Mecanismes de transport

I Jonction PN et contacts ohmique et Schottky.Heterojonctions. Applications.

I Transistor bipolaire a homojonction et a heterojonction.ME(O)SFET. Applications.

I Diode electroluminescente. Applications.

I Photodetecteur

I Techniques de caracterisation des semi-conducteurs

I Revisions

I References

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Jonction PN

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References



Ces slides sont un support du cours de composantselementaires. Le detail des principes physiques, calculstheoriques, procedes technologiques et applications sontdetailles durant les seances de cours. La presence a cesseances de cours est par consequent indispensable.

La version mise a jour de ce document est disponible surARCHE – Master PAIP de l’universite de Lorraine

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References

Composants a semi-conducteurs : origine

1940 : Russell Ohl (Bell Labs) : jonction PN

1948 : William Shockley (Bell Labs) : transistor bipolaire,base sur la jonction de R. Ohl

1961 : Bernard et Duraffourg (Phys. Stat. Sol. 1, 699 (1961),CNET, France) demonstration de la possibilite de l’emissionstimulee : lasers a semi-conducteurs

1962-64 : premiers lasers a semi-conducteurs (e.g. Nathan etal., Appl. Phys. Lett. 1, 62 (1962)) : simple jonction PN

1965-aujourd’hui : materiaux pour LED et laser (Vis./IR etUV), photovoltaıque, detecteurs, ... heterojonctions, tandem,organiques/inorganiques, ...

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References



I Cristallographie, Bandes d’energie (Rappels) ←I Techniques d’elaboration des semi-conducteurs




I Photodetecteur


I Revisions

I References

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References

Elements de cristallographie

Reseaux de Bravais

Materiaux cristallins : motifs se repetant a l’identique dansun espace appele reseau.

Il existe 14 reseaux differents (Reseaux de Bravais).

Le reseau de Bravais determine en partie les proprietes desmateriaux.

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Reseaux de Bravais

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Reseaux de Bravais

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References


Reseaux de Bravais

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Reseaux de Bravais

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Reseaux de Bravais

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References


Reseaux de Bravais

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Reseaux de Bravais

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References


Defauts cristallins- etendus (line defect)- ponctuels (point defect) :

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Defauts cristallins- etendus (line defect) = dislocations :

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References


Indices de Miller (h,k,l) : definir un plan d’atomes dans uncristal :1. Determiner les intersections avec les axes a, b, et c. Dansl’exemple : (3a, 4b, 2c)2. Determiner les inverses de ces nombres (1/3, 1/4, 1/2)3. Remplacer par les plus petits entiers ayant le meme rapport.Dans l’exemple, on multiplie par 12 → (4,3,6)

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Diffraction de rayons X :

→ determination du parametre de maille et de la structurecristalline

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Bandes d’energie

Premiere approche : Modele de Sommerfeld (i.e. Modele del’electron libre dans un cristal) :

→ niveaux d’energie discrets mais modele trop simple : bandesd’energie ?

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Bandes d’energie

Premiere approche : Modele simplifie de l’electron dans unpotentiel periodique :

→ resolution (cf. cours physique du solide)→ niveaux d’energiediscrets et bandes d’energie : deux bandes permises (bandevalence et bande de conduction) et une bande d’energie in-terdite.

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Bandes d’energie

Ultime approche : Modele complet de l’electron dans un po-tentiel periodique :→ resolution numerique de l’equation de Schrodinger sans hy-potheses simplificatrices→ niveaux d’energie discrets et ban-des d’energie avec courbes de dispersion E(k) complexes.

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Bandes d’energie

”Gap” (largeur de la bande interdite) direct, indirect :

→ Direct : GaAs, GaP, InGaAsP, GaN, ... : optoelectronique(lasers, LEDs), photovoltaıque, detection

→ Indirect : Ge, Si : microelectronique, photovoltaıque,detection

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Bandes d’energie

Diagramme de bandesMaximum de la BV et minimum de la BC :

→ Direct : Eg(GaAs) = 1.43 eV, Eg(GaP) = 2.25 eV, Eg(GaN)= 3.4 eV

→ Indirect : Eg(Ge) = 0.66 eV, Eg(Si) = 1.11 eV

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Bandes d’energie

Remplissage des bandes : statistique de Fermi-Dirac

→ a T = 0 K : bande de valence (BV) pleine et bande deconduction (BC) vide→ a T > 0 K : agitation thermique, densite d’electrons dansla BC

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Bandes d’energie

Remplissage des bandes : statistique de Fermi-Dirac

→ a T > 0 K : agitation thermique, transfert BV vers BC

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Bandes d’energie

Remplissage des bandes : statistique de Boltzmann

→ Boltzmann = Approximation de Fermi-Dirac des que|E − EF | > quelques kT

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References

Introduction – epilogue

Applications en optoelectronique :IV (Si, Ge) : CCD, Photovoltaıque, detecteursIII-V (GaP, GaAs, InGaAsP, ...) : LEDs, lasers, detecteursIII-N (GaN, InGaN, ...) : LEDs, lasers et detecteurs UV/Bleu

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Photodetecteur

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References




I Techniques d’elaboration des semi-conducteurs ←I Mecanismes de transport




I Photodetecteur


I Revisions

I References

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References

Techniques d’elaboration des semi-conducteurs

Definitions et Techniques

I Definitions

I Technique de croissance de silicium massif : Czochralski

I Techniques d’epitaxie : MOVPE et MBE

I Techniques de depot : Sputtering (pulverisationcathodique), spin-coating, spray pyrolyse, CBD,...

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References


Definitions

I Materiau Massif : epais (plus de la centaine demicrometres), souvent sans substrat (wafer de silicium,epaisseur > 200 µm, ou cristaux)

I Couche mince : du nanometre a la dizaine demicrometres; sur substrat

I Depot : couche sur un substrat sans liencristallographique; exemples : sur verre, metal, oxyde,...

I Epitaxie : couche monocristalline sur substrat avec liencristallographique; exemples : AlGaAs/GaAs, GaAs/Ge,...

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References


Materiau massifCroissance Czochralski

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References



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References



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Couche minceHetero-epitaxie

Principe de base :Croissance d’un materiau cristallin sur un substrat :Materiaux differents : desaccord de maille (lattice mismatch)

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References



Principe de base :Croissance d’un materiau cristallin sur un substrat :Materiaux differents : desaccord de maille :

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Principe de base :Croissance d’un materiau cristallin sur un substrat :Materiaux differents : desaccord de maille :

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References



Desaccord de maille : δa = aS − a0a0

aS : substrat

a0 : couche

Epaisseur critique tC vs desaccord de maille :t < tC : couche pseudomorphe (contrainte)t > tC : couche relaxee

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Desaccord de maille : δa = aS − a0a0

aS : substrat

a0 : couche

Techniques d’elaboration :

MOVPEEpitaxie en phase vapeur aux organometalliques

MBEEpitaxie par jets moleculaires

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Couche minceMOVPE : Epitaxie en phase vapeur aux organometalliques

Pression : 1 a 760 torr Temperature : jusqu’a 1100 CDecomposition des precurseurs (organometalliques)Exemples :

TMGa + AsH3 pour GaAs ; TMGa + NH3 pour GaNCouches de qualite, excellent controle des epaisseurs, procedesindustriels

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Couche minceMOVPE : Epitaxie en phase vapeur aux organometalliques

Reacteur MOVPE industriel40


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Couche minceMBE : Epitaxie par jets moleculaires

Pression : ultravide Temperature : < MOVPEFlux d’atomes evapores (sources solides ou gaz)

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Couche minceMBE : Epitaxie par jets moleculaires

Reacteur MBE de recherche

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Couche minceMBE vs MOVPE

Qualite des couches comparable

Controle in situ : MBE (ultravide)

Temperature (MBE) < Temperature (MOVPE)

Duree d’elaboration (MOVPE) < Duree d’elaboration (MBE)

Surete (MOVPE) < Surete (MBE) : precurseurs

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Caracterisation

Revisions

References



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Revisions

References



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References



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References


Couche minceSputtering : pulverisation cathodique

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References


Couche minceSpin-coating : e.g. materiaux organiques

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Couche minceSpray Pyrolyse : e.g. oxydes

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Caracterisation

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I Mecanismes de transport ←I Jonction PN et contacts ohmique et Schottky.

Heterojonctions. Applications.



I Photodetecteur


I Revisions

I References

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References

Mecanismes de transport

→ a T > 0 K : agitation thermique, transfert BV vers BC→ transfert electron BV vers BC : creation d’une paire electron-trou → conduction par les electrons et par les trous :J = Jn + Jp

Densite des electrons dans la BC (Boltzmann) :

n = NC × exp(−EC−EF

kT

)Densite des trous dans la BV (Boltzmann) :

p = NV × exp(−EF−EV

kT

)→ n × p = NC × NV × exp

(− Eg

kT

)= n2

i

ni = concentration intrinseque

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Semi-conducteur intrinseque (non dope) :

n = p = ni =√NCNV exp

(− Eg

2kT

)Position du niveau de Fermi :EF = EV +EC

2 + kTln(

NVNC

)≈ au milieu du gap

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References


Semi-conducteur extrinseque (dope) :n 6= p mais n × p = n2

i

Dopage P : impurete de type accepteur (ex: B dans Si) :p >> nNA− = NA

1

1 + g exp(

EA−EFkT

)Calcul de p en fonction de NA et ni ?

Dopage N : impurete de type donneur (ex: As dans Si) :n >> pND+ = ND

1

1 + g exp(

EF −EDkT

)Calcul de n en fonction de ND et ni ?

Calcul de n et p en fonction de ND , NA et ni dans le casgeneral ?

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References


Position du niveau de Fermi :n = NC × exp

(−EC−EF

kT

)Dopage N : n ≈ ND

EF = EC − kTln(

NCND

)p = NV × exp

(−EF−EV

kT

)Dopage P : p ≈ NA

EF = EV + kTln(

NVNA

)

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Generation-Recombinaison

Generation thermique :Creation de paires electron-trou par agitation thermique (statis-tique de Fermi-Dirac)

Generation lumineuse :Absorption de photons d’energie > au gap

Recombinaisons :Recombinaison directe (radiative)Recombinaison indirecte (non-radiative)

theorie de Shockley-Read-HallRecombinaison Auger

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Recombinaison indirecte (non-radiative)Pieges (traps) dans la bande interdite : les transitions s’effectuentvia ces pieges :

Efficacite maximale : pieges au milieu de la bande interdite

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Recombinaison indirecte (non-radiative)

Taux de generation-recombinaison :

USRH = 1τ

pn − n2i

p + n + 2ni

τ : duree de vie des porteurs

Theorie de Shockley-Read-Hall (SRH, cf. cours physique dusolide), uniquement pour les pieges au milieu de la bandeinterdite (les plus efficaces)

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Recombinaison indirecte (non-radiative)

Taux de generation-recombinaison :A l’equilibre : USRH = 0

Materiau dope N hors equilibre avec exces de paires e-h :USRH ≈ ∆p

τ → porteurs minoritaires

Materiau hors equilibre avec deficit de paires e-h (p << ni

et n << ni ) :USRH ≈ − ni

2τ

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Recombinaison directe (radiative) et Recombinaison Auger

Recombinaison directe = bande a bande :UDirect = β(pn − n2

i )β = coefficient de recombinaison directe (bimoleculaire)

Recombinaison Auger = bande a bande + electron :UAuger = Γn n (pn − n2

i ) + Γp p (pn − n2i )

Γn et Γp = coefficients Auger

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Conductivite electrique

Notion de mobilite

Deplacement des porteurs de charges dans le cristal : aleatoire,interactions avec le reseau (atomes, autres porteurs, agitationthermique):

a l’equilibre : vitesse moyenne (statistique) = 0→ courantnul

champ electrique applique : action durant le trajet libre(> 100 A) → vitesse moyenne 6= 0 → courant 6= 0

~J = ~Jn + ~Jp = − q n ~vn + q p ~vp

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Notion de mobilite

champ electrique faible : variation≈ lineaire de ~v = f(~E)

~v = µ ~E

µ la mobilite et ~J le courant de derive (drift)~J = ~Jn + ~Jp = q n µn

~E + q p µp~E

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Notion de mobiliteInfluence du dopage et de la temperature :

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Notion de resistivite

~J = q n µn~E + q p µp

~E = σn~E + σp

~E

σ = σn + σp

ρ = 1σn + σp

= 1q n µn + q p µp

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Diffusion, Lois de Fick

Gradient de concentration → diffusion → equilibre → Loi deFick :

−→F = − D

−→∇C

F = − D dCdx en une dimension

F = Flux de porteursC = ConcentrationD = Coefficient de diffusion

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References


Courants de diffusion

Jn = + qDndndx Jp = − qDp

dpdx

Dn et Dp = coefficients de diffusion des electrons et trous,en cm2/s

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References


Courant total

Jn = + qDndndx + q n µn E

Jp = − qDpdpdx + q p µp E

J = Jn + Jp

Hypotheses sous-jacentes : materiau homogene, atemperature uniforme (pas de gradient T)

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References


Courant total

A l’equilibre thermodynamique :Jn = + qDn

dndx + q n µn E = 0

Jp = − qDpdpdx + q p µp E = 0

dnn = − µn

DnE dx = µn

DndV (eq.1)

n = NC × exp(−EC−EF

kT

)→

dnn = − 1

kT dEC = qkT dV (eq.2)

(eq.1) = (eq.2) → Dnµn

= kTq (relation d’Einstein)

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References


Courant et niveau de Fermi

Jn = +qDndndx + q n µn E et n = NC×exp

(−EC−EFn

kT

)Jn = qµn

kTq

(−1kT

) d(EC−EFn)dx n + n µn

dECdx

Jn = n µndEFndx

idem pour les trous :

Jp = p µpdEFp

dx

Courant vs Gradient du quasi-niveau de Fermi : derive etdiffusion en un seul terme

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Revisions

References


Equations de continuite

Fn(x) = flux d’electrons en x (Fn = Jn(−q) ) et aire S = 1

dN = nombre d’electrons dans le volume S dx durant dt :dN = (Fn(x) − Fn(x + dx))× dtdn = densite d’electrons dans le volume S dx durant dt :dn = dN

S dx = (Fn(x) − Fn(x + dx))× dtS dx

→ dndt = − dFn

dx

→ ∂n∂t = − div

−→Fn (cas general)

idem pour les trous69


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Introduction

Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Equations de continuite

G (x) = densite d’electrons generes par seconde cm−3s−1

R(x) = densite d’electrons recombines par par seconde cm−3s−1

→ dndt = − dFn

dx + G (x) − R(x)

→ ∂n∂t = − div

−→Fn + G − R (cas general)

R = USRH + Udirect + UAuger avec : USRH ≈ ∆pτ

70


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Equation de Poisson

∆V = − ρε

En une dimension : d2Vdx2 = − ρ

ε

ρ = q(p − n + N+

D − N−A + pieges)

71


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Recapitulatif : equations du modele de derive-diffusion

∆VVV = −q(p − n + N+

D − N−A + pieges)

εdn

dt= +

1

q

dJn

dx+ G (x) − R(x)

dp

dt= −1

q

dJp

dx+ G (x) − R(x)

Avec :Jn = n µn

dEFnEFnEFndx

Jp = p µpdEFpEFpEFp

dx

n = NC × exp(−−qVVV−EFnEFnEFn

kT

)p = NV × exp

(−EFpEFpEFp−(−qVVV−Eg )

kT

)72


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Introduction

Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References






I Jonction PN et contacts ohmique et Schottky.Heterojonctions. Applications. ←



I Photodetecteur


I Revisions

I References

73


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

A la base des composants micro- et optoelectroniques : Lasers,LEDs, Cellules solaires, Detecteurs, Transistors, ... et diodes!

A supplante les tubes a vide et revolutionne la technologie

I Principes physiques

I Fabrication

I Applications

74


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN a l’equilibre

75


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Diffusion : Loi de Fick

76


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Apparition d’une Zone de Charge d’Espace (ZCE)

Champ electrique interne

Equilibre : Diffusion = Derive

77


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Charges fixes (d’espace) dans la ZCE :Q+ = q S xn N+

D et Q− = −q S xp N−A

Neutralite electrique : xn N+D = xp N−A

→ la ZCE est plus etendue du cote le moins dope

78


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Jn = + qDndndx + q n µn E = 0

Jp = − qDndpdx + q p µp E = 0

Dndndx = n µn

dVdx

VD = Dnµn

xn∫−xp

dnn = kT

q ln(

NAND

n2i

)

79


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Diagramme d’energie a l’equilibre :

80


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Largeur de la ZCE (approximation : transition abrupte : n(ZCE)= p(ZCE) = 0) :

Calcul de W ?

81


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Largeur de la ZCE (approximation : n(ZCE) = p(ZCE) = 0) :

Emax = qND xn

ε0εr=

qNAxp

ε0εr

VD = qND x2n

2ε0εr

(1 +

xp

xn

)=

qNAx2p

2ε0εr

(1 + xn

xp

)W =

√2ε0εr

q

(1

NA+ 1

ND

)VD

82


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN polarisee

Application d’une tension externe→ champ = applique + interne : ~E = ~Ea + ~Eint

83


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


En inverse :~E = ~Ea + ~Eint~Ea et ~Eint dans le meme sensTension appliquee VP − VN < 0 (– sur P et + sur N)

En direct :~E = ~Ea + ~Eint~Ea et ~Eint dans le sens opposeTension appliquee VP − VN > 0 (+ sur P et – sur N)

84


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


A l’equilibre thermodynamique :Jn = + qDn

dndx + q n µn E = JDiffusion + JDerive = 0

Jp = − qDpdpdx + q p µp E = 0

A.N.: NA = 1018 cm−3, ND = 1016 cm−3, Dn = 40 cm2/s,µn = 1500 cm2/Vs, ni = 1010 cm−3, ε = 10−12 F/cm

VD = kTq ln

(NAND

n2i

)≈ 0.83V

W =

√2ε0εr

q

(1

NA+ 1

ND

)VD ≈ 0.32 µm

JDiffusion = qDndndx ≈ qDn

ND − (n2i /NA)

W ≈ 103 A/cm2

Hors equilibre (polarisation) :JDiffusion (ou JDerive) >> Jtotal (< quelques 10−2 A/cm2)Jn = + qDn

dndx + q n µn E ≈ 0Jn = + qDndndx + q n µn E ≈ 0Jn = + qDndndx + q n µn E ≈ 0 (quasi-equilibre)

85


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


VD − Va = − Dp

µp

xn∫−xp

dpp = kT

q ln(

p(−xp)p(xn)

)exp

(VD−Va

VT

)=

p(−xp)p(xn) ≈ pp0

p(xn) avec : VT = kTq

(hypthese de faible injection)

p(xn) = pp0 exp(−VD +Va

VT

)= pn0 exp

(VaVT

)idem : n(−xp) = np0 exp

(VaVT

)Exces de porteurs minoritaires crees par la polarisation :

∆pn = p(xn) − pn0 = pn0

(exp

(VaVT

)− 1

)∆np = n(−xp) − np0 = np0

(exp

(VaVT

)− 1

)Recombinaison dans les zones neutres (hyp. : diode longue) :

δpn(x) = ∆pn exp(− x−xn

Lp

)δnp(x) = ∆np exp

(+

x+xp

Ln

)86


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


87


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


88


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


89


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Calcul du courant :Jp(x) = − qDp

d(δpn(x))dx = q

Dp

Lpδpn(x)

Jp(x = xn) = qDp

Lpδpn(x = xn) = q

Dp

Lppn0

(exp

(VaVT

)− 1

)idem : Jn(x = −xp) = qDn

Lnnp0

(exp

(VaVT

)− 1

)Hypothese : pas de recombinaisons dans la ZCE :

J = Jp(x = xn) + Jn(x = −xp) = JS

(exp

(VaVT

)− 1

)avec : JS = q

Dp

Lppn0 + qDn

Lnnp0

→ propriete de rectification de la jonction PN :Va < 0 (polarisation inverse) : J ≈ − JS (J tres faible)

Va > 0 (polarisation directe) : J ≈ + JS exp(

VaVT

)

90


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN reelle

Jonction PN ideale : pas de pieges, pas de recombinaison dansla ZCE, resistance serie negligeable...Jonction PN reelle :

91


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Jonction PN

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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

Fabrication d’une jonction PN : exemple :

92


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Jonction PN

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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

Fabrication d’une jonction PN : exemple :

93


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Jonction PN

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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Applications de la jonction PN

I Absorption de lumiere : cellules solaires, detecteursde lumiere

I Recombinaison, Amplification : transistors

I Generation-Recombinaison : LEDs, lasers,modulateurs

I Caracteristique J(V) non lineaire : Capacitesvariables, multiplieurs

I Caracteristique J(V) asymetrique : redresseurs

I Caracteristique J(V) inverse, avalanche : diodes Zener,a avalanche

94


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Jonction PN

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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

A.1 :Jonction PN en GaAs (Eg = 1.43 eV , NC = 4.7 1017 cm−3,NV = 9 1018 cm−3) avec NA = 1017 cm−3, ND = 1015 cm−3.(a) Position du niveau de Fermi a 300 K dans les regions Pet N ?(b) Diagramme de bandes (a l’equilibre) et VD ?

Reference : Umesh K. Mishra et Singh Jasprit, SemiconductorDevice Physics and Design1

1U. K. Mishra and S Jasprit. Springer, 2008.95


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

A.2 :Jonction PN en silicium (Eg = 1.11 eV , NC = 2.8 1019 cm−3,NV = 1.04 1019 cm−3) avec :NA = 1017 cm−3, ND = 1015 cm−3

(a) Position du niveau de Fermi a 300 K ?(b) Diagramme de bandes (a l’equilibre) et VD ?

96


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Jonction PN

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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

A.3 :Jonction PN en germanium (Eg = 0.66 eV , NC = 1019 cm−3,NV = 5 1018 cm−3) avec :NA = 1017 cm−3, ND = 1015 cm−3

(a) Position du niveau de Fermi a 300 K ?(b) Diagramme de bandes (a l’equilibre) et VD ?

97


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

A.4 :Jonction P+N en silicium avec :NA = 1018 cm−3, ND = 1016 cm−3, Dp = 10 cm2/s,τp = 10−7 s, Aire = 10−4 cm2

(a) Courant de saturation inverse a 300 K ?(b) Courant direct a Va = 0.8 V ?

98


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

A.5 :Calculer et comparer les courants de saturation inverse dediodes PN (donnees A.1) :(a) en GaAs : τn = τp = 10−8 s, Dn = 100 cm2/s,Dp = 20 cm2/s(b) en Si : τn = τp = 10−7 s, Dn = 30 cm2/s,Dp = 15 cm2/s(c) en Ge : τn = τp = 10−7 s, Dn = 50 cm2/s,Dp = 30 cm2/s

99


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

A.6 :Comment peut-on utiliser une jonction PN en tant que capteurde temperature ? Considerer le cas d’une diode PN ideale etcalculer les grandeurs suivantes :1

JS

dJSdT et 1

JdJdT

Comment seront modifiees ces grandeurs dans le cas d’unediode reelle ?

100


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Jonction PN

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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction PN

A.1 :(a) EC − EF = 0.159 eV et EF − EV = 0.116 eV(b) VD = 1.15 eV ( ni = 2 106 cm−3)A.2 :(a) EC − EF = 0.264 eV et EF − EV = 0.12 eV(b) VD = 0.72 eV ( ni = 8.1 109 cm−3)A.3 :(a) EC − EF = 0.238 eV et EF − EV = 0.101 eV(b) VD = 0.32 eV ( ni = 2 1013 cm−3)A.4 :(a) JS = q

Dp

Lppn0 + qDn

Lnnp0 ≈ 10−11 A/cm2

(b) J = JS

(exp

(VaVT

)− 1

)≈ 289 A/cm2

A.5 : (GaAs Si Ge JS (A/cm2))2.9 10−17 A/cm2 1.3 10−10 A/cm2 1.1 10−3 A/cm2

101


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Heterojonctions

Jonctions :Homojonctions : meme materiau (e.g. Si, GaAs, Ge, ...)

Heterojonctions : Differents materiaux (GaAs/Si, Si/Ge, ...)

Jonctions Metal/Semi-conducteur :

Connections entre composants elementaires

Composants elementaires (diodes Schottky, detecteurs, ...)

102


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction Metal/Semi-conducteur

Φm : travail de sortie du metalχSC : affinite electronique du semi-conducteurCas 1 : Φm > χSC :

Contact M/SC redresseur : Schottky

103


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Φm : travail de sortie du metalχSC : affinite electronique du semi-conducteurCas 2 : Φm ≤ χSC :

Contact M/SC symetrique lineaire : ohmique

104


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


105


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Courant dans une jonction Schottky (Thermoemission)

J = JS

(exp

(VaVT

)− 1

)avec : JS = A∗ T 2 exp

(−ΦBqVT

)A∗ = Constante de Richardson (≈ 110 A cm−2 K−2 pourSi)ΦB = Barriere Schottky

106


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Exemple

Au / n-Si (barriere = 0.79 eV) :

JS = 110× 3002 × exp( −0.79

0.0259

)= 5.6× 10−7 A/cm2

J(0.3 V ) = 5.6 10−7(exp

(0.3

0.0259

)− 1

)= 6×10−2 A/cm2

A comparer a la jonction PN :

JS = qDp

Lppn0 + qDn

Lnnp0 ≈ 10−11 A/cm2

J(0.3 V ) = 10−11(exp

(0.3

0.0259

)− 1

)= 10−6 A/cm2

107


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


JS (PN) � JS (Schottky)

VSeuil (PN) > VSeuil (Schottky)

Vitesse commutation (PN) � Vitesse commutation (Schottky)

Recombinaison ZCE (PN) � Recombinaison ZCE (Schottky)

108


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Contact ohmique

Probleme : Etats d’interface

109


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Jonction Metal/Semi-conducteur (M/SC)

Contact ohmique

ZCE M/SC etroite : Tunnel : contact ohmiqueResistance de contact RC ∝ 1√

NDet RC ∝ VD

110


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


TechnologieRealisation de contacts par evaporation sous vide

111


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


TechnologieRealisation de contacts par evaporation sous vide

112


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Heterojonctions semi-conductrices

113


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


VD =∆EC + Eg2

q − kTq ln

(NC1NV 2

n1p2

)et ε1E1 = ε2E2

xn =

√2ε1ε2VD

q

(NA

ND (NAε2 + NDε1)

)W =

√2ε1ε2VD

q

((NA + ND )2

NAND (NAε2 + NDε1)

)VD1 = qND x2

n2ε1

et VD2 =qNAx2

p

2ε2

114


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Applications :Ingenierie du gap :

I Transistors bipolaires HF

I Cellules solaires multijonction, Tandem

I Lasers et LEDs a puits quantiques

I Composants optoelectroniques a boıtes/filsquantiques

I Composants organiques/inorganiques

115


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Exercices2

B.1 Tracer le diagramme d’energie d’une heterojonction PPAlGaAs/GaAs (avec EV − EF = 0.1 eV )B.2 Diagramme d’energie d’une heterojonction NP+N Al-GaAs/GaAs/AlGaAsB.3 Calculer VD1 et VD2 avec :NAl0.3Ga0.7As

C = 6.5 1017 cm−3 et NAl0.3Ga0.7AsV = 1019 cm−3

Champ electrique a l’heterojonction ? Largeur ZCE ?

2M Lundstrom. nanoHUB, 2008.116


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Exercices

Nature de d’heterojonction ? Confinement ?Diagramme (cas NP) ?

117


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References







I Transistor bipolaire a homojonction et aheterojonction. ME(O)SFET. Applications. ←


I Photodetecteur


I Revisions

I References

118


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Transistor NPN :

Emetteur tres dope (N++)Base moyennement dopee et mince (P+)Collecteur peu dope (N−)

119


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Transistor NPN :

Largeur Base ( < Lminoritaires) : effet transistorLargeur Base ( > Lminoritaires) : deux jonctions tete-becheTransistor : structure asymetrique

120


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Heterojonctions



Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Transistor NPN :

En Regime normal : jonction Base-Emetteur polarisee en di-rect et jonction Base-Collecteur en inverse

121


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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Transistor NPN :

Injection d’electrons de E dans BDiffusion dans B (B mince), RecombinaisonsCollecte a la jonction BC polarisee en inverseIE = IC + IB et IB � IC : β = IC

IB� 1

Effet transistor122


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Transistor NPN :

Effet transistor :

IE = IC + IB et IB � IC : β = ICIB� 1

Base mince ( � Lminoritaires)

Structure asymetrique (E (N++) B(P+) C (N−))

Jonction BE polarisee en direct et BC en inverse

123


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Transistor NPN :

Courants (Ebers-Moll) :

IE = −IES

(exp

(VBEVT

)− 1

)+ αR ICS

(exp

(VBCVT

)− 1

)IC = αR IES

(exp

(VBEVT

)− 1

)− ICS

(exp

(VBCVT

)− 1

)

124


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Transistor NPN : Efficacites et transconductance :

γE = IEnIEn + IEp

= 1

1 +pE0DE LBnB0DB LE

tanh(

WBLB

) ≈ 1 − pE0DE WBnB0DB LE

Base :ICIEn≈ 1 − W 2

B

2L2B

Gain en courant :α = IC

IE= γE

ICIEn

β = α1 − α

Transconductance gm = ∂IC∂VBE

= ICkT/q = βIB

kT/q

A comparer a celle du transistor a effet de champ (a suivre)

125


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Transistor NPN : Effet Kirk :

Capacite : C = ε SW

Resistance : R = ∂V∂I = kT/q

I

Delai : τ = ε SW

kT/qI = ε

WkT/q

J

Donc augmenter J pour reduire τ et augmenter la vitesse

mais effet Kirk et courant limite

126


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Introduction

Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Applications : Tous les domaines de la technologie !

I Amplification

I Commutation

I Generation de courant

I Charges actives

I etc.

127


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


ExercicesTransistor NPN :

Quels parametres technologiques affecteront le gain dutransistor ? Discuter en particulier l’effet du dopage del’emetteur ? Comment varierait le gap pour un dopage fort? Consequence sur le gain ? Solution possible ?

128


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References



Exemple d’evolution du gain avec le dopage3

3O Bonnaud. Cours SUPELEC, 2003.129


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References



Idealement, comment varierait IC en fonction de VBC ? Endiscutant l’effet sur la ZCE BC , deduire l’evolution reelle at-tendue de IC en fonction de VBC

C’est l’effet Early130


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References



Determiner les quatre modes de fonctionnement du tran-sistor bipolaire selon signes VBE et VBC

Dans le mode de fonctionnement normal, tracer la distribu-tion des porteurs minoritaires

131


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References



Deduire a partir de considerations physiques l’allure IC = f (VCE )dans la configuration emetteur commun

132


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Transistor a effet de champ

MESFET – Metal/Semi-conducteur

Grille, Drain et Source

133


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Jonction PN

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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


MESFET

Grille, Drain et Source

Canal de conduction commande par la grille :

a VDS = 0 : ZCE uniforme (largeur fonction de VGS : cf.jonction PN et Schottky)

a VDS 6= 0 : ZCE asymetrique

Canal modulable134


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


MESFET

W (x) =(

2εqND

(V (x) + Vbi − VGS ))1/2

ID = Z (h − W (x)) qNDµndVdx

IDdx = Z (h − W (x)) qNDµndV

ID = qNDµnZhL

(VDS − (VDS + Vbi − VGS )3/2 − (Vbi − VGS )3/2

(3/2)(qND h2/(2ε))1/2

)ID = go

(VDS − (VDS + Vbi − VGS )3/2 − (Vbi − VGS )3/2

(3/2)(VP )1/2

)135


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Jonction PN

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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


MESFET

Transconductance :

gm = ∂ID∂VGS

= go

((VDS + Vbi − VGS )1/2 − (Vbi − VGS )1/2

V1/2P

)Controlee par la grille

136


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


MOSFET – Metal/Oxyde/Semi-conducteur

Cas du NMOS normalement non conducteurGrille polarisee positivement (Source = reference) :Creation d’un canal Drain-Source (electrons) puis inversion depopulation : conductionGrille polarisee negativement : Pas de conduction

137


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Technologie

138


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Transport

Jonction PN

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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Technologie

139


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Technologie

140


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor

Deux MOSFET N et P complementaires → Courant nul enregime stationnaire (mais non-nul en transitoire : commuta-tion)Puissance vs Tension et Frequence P ∝ C V 2 f

141


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Exercices

Cas du MESFET :Tracer et discuter la caracteristique ID = f (VDS ) en fonc-tion du signe de VGS en considerant l’effet sur le canal deconductionQue se passera-t-il pour VDS elevee ?

142


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Cas du MOSFET :

Idem : ID = f (VDS ) pour VGS ?

143


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Transistor HEMT (High Electron MobilityTransistor)

e.g. AlGaAs / GaAs ; AlGaN / GaNElaboration par MBE ou MOVPE

144


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


145


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


146


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


2DEG : confinement des electrons :conduction parallele au canal : grande mobilite : HF

147


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Applications : Haute Frequence (jusqu’a 300 GHz) /Puissance

I Telecommunications (cellulaire, etc.)

I Radio-Astronomie

I RADAR

I Capteurs

I Toute application tres haute frequence / faiblebruit

148


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Transistor

Exercices

τ = 2L2

µn(VGS − Vth)

τ = 2Cgm

Discuter les possbilites d’optimiser la frequence de coupure dutransistor

Quelles sont les limites physiques de chacune des possibilites?

149


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Transistor

Exercices

Comparaison transistor GaAs vs Silicium

Mobilite ?

Gap ? Consequences ?

Oxydes ? MOSFET ? MESFET ?

150


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Transistor

Exercices

ID = A(x) q n v(x)Transconductance elevee si : ND eleve et mobilite elevee →compromis/optimum

→ heterojonction : HEMT151


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Transistor

Exercices

→ heterojonction : HEMTHeterojonction de type I avec ∆EC (eV ) ≈ 0.79xAccord de maille AlxGa1−xAs/GaAs ≈ quelque soit xmais pour x > 0.3 : presence de defautsnS limite a quelques 1012 cm−2 → autres heterojonctions aplus grand ∆EC (ex: AlGaAs/InGaAs/GaAs)

152


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Transistor

Exercices

→ heterojonction : HEMT

AlGaN/GaN vs AlGaAs/GaAs pour un HEMT ?

153


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Transistor

Exercices

154


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References








I Diode electroluminescente. Applications. ←I Photodetecteur


I Revisions

I References

155


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED

Diode electroluminescente (LED) :jonction PN polarisee en direct : recombinaisons :→ recombinaisons radiatives (gap direct) :

emission de lumiere→ recombinaisons non-radiatives (gap indirect) :

emission de chaleur

156


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED

Diode electroluminescente (LED)

157


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED


Duree de vie des porteurs :1τ = 1

τr+ 1

τnr(Regle de Matthiesen)

Rendement Quantique Interne (IQE) : nombre de photonsemis vs nombre d’electrons injectes :

IQE =1τr

1τr

+ 1τnr

= 11 + τr

τnr

Gap direct (et qualite cristalline optimale) : IQE → 1Gap indirect : IQE < 0.01

158


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED

Diode electroluminescente (LED)Jonction PN :

Injection de porteursRecombinaisonsEmission spontanee dans toutes les directions

159


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED


Heterostructure III-V :

Confinement des porteursConfinement optique : indice de refractionEmission : 800 nm a 900 nm

160


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED



Gax In1−xAsyP1−y : Emission : 900 nm a 1600 nm

161


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED



162


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED


IQE = 11 + τr

τnr

Puissance : Popt = IQE Iqhν = IQE I

qhcλ

EQE (External Quantum Efficiency) : nombre de photonsemis vs nombre de photons generes : pertes (e.g. reflexion)

Reflexion de Fresnel : 4n1n2

(n1+n2)2

Puissance : Popt = IQE Iq

hcλ

4n1n2

(n1+n2)2

163


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED

Diode electroluminescente (LED) – Puits quantiques

Jonction PN : injection de porteursPuits quantique : confinement et recombinaison et minimi-sation de la re-absorption de photons emis

164


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED


Diodes blanches :

Nichia (Nakamura, Japon) et Fraunhofer Institut (Allemagne): LED InGaN et YAG (Yttrium Aluminum Garnet Y3Al5O12)dope Cesium

165


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED


Diodes blanches :

Nichia (Nakamura, Japon) et Fraunhofer Institut (Allemagne): LED InGaN et YAG (Yttrium Aluminum Garnet Y3Al5O12)dope Cesium

166


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED


Diodes organiques (OLED) :

Emission Bleu/Vert/Rouge et LEDs blanchesCout relativement faible, integration aisee...... mais degradation : duree de vie

167


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED


Exercices

Premiere LED UV en AlN : NTT Basic Research Labs4

Puissance : 0.02 microwatts a 210 nanometres, a temperatureambiante.Courant : 40 mARendement quantique externe ?

4T Yoshitaka, K Makoto, and M Toshiki. Nature, 2006.168


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

LED


Applications :

I Eclairage (pres du 1/4 de l’energie mondiale : vers unereduction drastique : CO2...)Duree de vie : 50000+ heures (et 1000 heures pourlampes a incandescence)Rendement : 50 % (vers les 80 %) (et 5 % pour lampesa incandescence)

I Ecrans : e.g. Organic LED : marche colossal

I etc.

169


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References









I Photodetecteur ←I Techniques de caracterisation des semi-conducteurs

I Revisions

I References

170


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

Principe de base : Eclairement → Absorption (si hcλ > Eg )

→ generation paire e-t :

171


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Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

JDiff .p = − qDp

dpdx

dpdt = − 1

qdJp

dx + G (x) − R(x) = 0 (statique)

Dpd2pdx2 + GL(x) − R(x) = Dp

d2pdx2 + GL(x) − pn − pn0

τp= 0

pn(xn) = 0 et pn(x →∞) = pn0 + GLτp

pn(x) = (pn0 + GLτp)(

1 − exp(− x − xn

Lp

))idem : np(x) = (np0 + GLτp)

(1 − exp

(x + xp

Ln

))

172


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Introduction

Elaboration

Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

pn(x) = (pn0 + GLτp)(

1 − exp(− x − xn

Lp

))np(x) = (np0 + GLτp)

(1 − exp

(x + xp

Ln

))JInverse = q

Dp

Lp(pn0 + GLτp) + qDn

Ln(np0 + GLτn)

→ photocourant

173


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

→ photocourant

174


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

175


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

JInverse = qDp

Lp(pn0 + GLτp) + qDn

Ln(np0 + GLτn) = JS + Jph

Jph = qDp

LpGLτp + qDn

LnGLτn = q (Lp + Ln)GL

ZCE : Jph = q (Lp + Ln + W )GL (hypothese : GL

constant)

Courant total du photodetecteur :

J = − Jph + JS

(exp

(V

VT

)− 1

)τp = τn = 10−7 s pour le siliciumτr (ZCE ) = W

vSde l’ordre de 10−11 s

176


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

Sensibilite :

R =Jph(A/cm2)

Pincidente (W /cm2)

Jph = q η Phν = q η P

hc/λ

R = ηhc/q λ = η

1.24 λ en A/W

177


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

Sensibilite :

178


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

Sensibilite :

Amelioration de la reponse spectrale : diode PIN

179


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Photodetecteur

Photodetecteur PIN :

Reponse lineaire sur une large gamme spectrale

180


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References









I Photodetecteur

I Techniques de caracterisation dessemi-conducteurs ←

I Revisions

I References181


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Transport

Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References

Techniques de caracterisation dessemi-conducteurs

Objectifs

I Etude de la physique des materiaux et composants asemi-conducteurs

I Optimisation des performances des composants

I Design de nouveaux composants et systemes

MoyensTechniques de caracterisations fiables et precises :

I electriques

I optiques

I morphologiques

182


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Jonction PN

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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation electriqueMethode des 4 pointesMesure de resistivite d’un semi-conducteur

R = VI = ln(2)

πρt ≈

14.53

ρt

183


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Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation electriquevan der Pauw / effet HallMesure de resistivite et de concentration de porteurs

exp(−π R1

ρ/t

)+ exp

(−π R2

ρ/t

)= 1

184


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Jonction PN

Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation electriquevan der Pauw / effet HallMesure de resistivite et de concentration de porteurs

VH = I Bn q t

185


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation electriqueMesures courant-tension

Etude de jonction : mecanismes de conduction, recombi-naisons, photocourant Iph, resistance serie RS , resistance par-allele RP , facteur d’idealite η :

I = − Iph

+ IS1

(exp

(V − RS Iη1VT

)− 1

)+ IS2

(exp

(V − RS Iη2VT

)− 1

)+ V − RS I

RP

186


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Heterojonctions



Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References



Caracteristique courant-tension (en echelle semi-log) d’unejonction PN

187


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References



Caracteristique courant-tension d’une cellule photovoltaıquePN

188


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation electriqueSpectroscopie d’admittance

Circuit electrique equivalent d’une jonction P+N ou Schottkypolarisee en inverse

189


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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation electriqueSpectroscopie d’admittance

I caracteriser la zone de charge d’espace et acceder a sesparametres

I caracteriser les pieges dans la bande interdite etdeterminer leur energie d’activation (position dans labande interdite)

190


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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation electriqueSpectroscopie de photocourantPhotogeneration : reponse spectrale, etude des pieges, desniveaux quantiques, etc.

191


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LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation electriqueSpectroscopie de photocourantExemple : Reponse spectrale d’une structure a multipuitsquantiques InAsP/InGaP/InP

192


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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation optiqueSpectroscopie Raman

Principe :Interaction matiere / lumiereDiffusion elastique de la lumiere (Rayleigh)Diffusion inelastique : diffusion par phonons

193


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Heterojonctions



Transistor HEMT

LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References



Principe :Interaction matiere / lumiereDiffusion elastique de la lumiere (Rayleigh)Diffusion inelastique : diffusion par phonons

194


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Transport

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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References



Modes de vibration : identification materiau, composition,contraintes, qualite, etc.

195


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation optiqueTransmission et reflexion optique

Determiner l’epaisseur, et le coefficient d’absorption :

196


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Transport

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Heterojonctions



Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation optiqueTransmission et reflexion optique

Determiner l’epaisseur, et le coefficient d’absorption :

197


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Transistor HEMT

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Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation morphologiqueMicroscopie a force atomique (AFM)

Topographie : de la distance interatomique jusqu’a 100 µmResolution : typiquement de 5 nm en lateral et de 0.1 nm envertical

198


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Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation morphologiqueMicroscopie a force atomique (AFM)

199


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Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation morphologiqueMicroscopie electronique a balayage (MEB)

Microscopie electronique a balayage (MEB ou SEM pour Scan-ning Electron Microscopy) : un faisceau d’electrons balaye unesurface et on detecte les effets de reflexion par la matiere.

200


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LED

Photodetecteur

Caracterisation

Revisions

References


Caracterisation morphologiqueMicroscopie electronique a balayage (MEB)

Limite de diffraction : exemple : longueur d’onde d’un electronnon-relativiste accelere par un potentiel de 10 kV :

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1: Densite d’etats

nC (E ) = RC

√E − EC

nV (E ) = RV

√EV − E

+∞∫0

√xexp(−x)dx =

√(π)/2

Calculer la concentration d’electrons libres.Considerer le cas d’un semi-conducteur peu ou moyennementdope.

2: Courant inverseExpliquer pourquoi le courant inverse d’une diode PN changepeu avec la tension en dehors de la zone de claquage.

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3: Gradient de dopageSoit une jonction PN avec un taux de dopage qui varie defacon lineaire selon la relation suivante :ND − NA = G xx = 0 correspond a la jonction : pour x < 0 le dopage est detype P, et de type N pour x > 0.Montrer que le champ electrique s’ecrit :E (x) = (qG/2ε) (x2 − (W /2)2) avecW = (12ε(VD − V )/qG )(1/3)

4: Capteur de temperatureUne diode PN est utilisee comme capteur de temperature eninjectant en direct un courant regule.Donner l’expression de la tension mesuree en fonction de latemperature.A 300 K, la tension mesuree est de 0.6 V. Comment varieraitcette tension si la temperature varie de 1 K ?

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5: Contact ohmiquePour realiser un contact ohmique avec une tres faible resis-tance de contact sur un semi-conducteur a grand gap, on peutelaborer une couche fortement dopee de semi-conducteur aplus petit gap. C’est le cas de l’InAs dope N+ sur une couchede GaAs. Expliquer comment cela ameliore la qualite du con-tact ohmique.

6: Contact SchottkySoit un contact Schottky W/GaAs.Calculer la capacite de la jonction M/SC et montrer que lamesure de cette capacite permet de remonter a la hauteur dela barriere et au taux de dopage.

7: MESFETExpliquer pourquoi lorsque la longueur de la grille d’un MES-FET diminue, le dopage du canal devra etre augmente.

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References

I Olivier Bonnaud (Professeur a l’Universite de Rennes 1et a SUPELEC – Campus de Rennes), Physique desSolides, des Semi-conducteurs et Dispositifs

I Henry Mathieu, Physique des semi-conducteurs et descomposants electroniques, Ed. Dunod.

I Simon M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Ed.Wiley.

I Umesh K. Mishra and Jasprit Singh, SemiconductorDevice Physics and Design, Ed. Springer.

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Universite de LorraineMaster PAIP

Physique Appliquee et Ingenierie Physique

UE Composants pour l’optique etl’optoelectronique


Sidi OULD SAAD HAMADYProfesseur des [email protected] Physique Appliquee et Ingenierie Physique (PAIP)Universite de Lorraine

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