1 LES MATERIAUX SEMICONDUCTEURS Yves MONTEIL Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces,UMR 5615...
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LES MATERIAUX LES MATERIAUX
SEMICONDUCTEURS SEMICONDUCTEURS
Yves MONTEIL
Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces,UMR 5615
Université Claude Bernard - LYON 1
2
Domaines d’utilisation :Micro-électronique électron (masse)
Transistor
Micro-optoélectronique photon (h = h1/ )
Laser
Pourquoi les matériaux semiconducteurs ?
Microélectronique
Intérêts : petite taille (puce) très faible puissance
3
106
Matériaux semiconducteurs• Qu’est ce qu’un semiconducteur ?
Propriétés électriques intermédiaires entre métal et isolant
ni/cm3
1012
1018
1022 METAUX
ISOLANTS
SEMICONDUCTEURS
N = 6.02 1023
Si Si
Si Si
ni e(-Eg/kT )
4
Si
Eléments Semiconducteurs
II III IV V VI
Bi
Sb
As
P
N
PoPbTlHg
TeSnInCd
SeGeGaZn
SAl
OCB
5
• à partir d’une vingtaine d’éléments voisins de Si dans la classification périodique
-binaires : SiC, GaAs, InP
-ternaires : InGaAs
-quaternaires : InGaAsP
DIFFERENTS SEMICONDUCTEURS
•Silicium , Germanium, Carbone (diamant)
Eléments
Composés ou Alliages:
6
Elaboration du Si électronique
1 – Métallurgie du Si
Sable +Coke Si (l) +Monoxyde de Carbone SiO2 C T C CO(g)
2 – Purification du Si
-Chloration : Si(s) + Cl2(g) SiCl4(g) (Impuretés : Fe, B FeCl3, BCl3 ) Distillation fractionnée-Réduction : SiCl4(g) + (Zn, Mg) Si(s) + (Zn, Mg) Cl2
Evaporation sous vide
Silicium pureté électronique (impuretés : qq ppm ou qq ppb)
-Cristallisation fractionnée ( Si à 98 %)
7
•Solide dans l’état monocristallin
STRUCTURE CRISTALLINE
Système CFC ( Diamant ou Zinc blende)
8 – sommets6 – faces4 – sites tétraédriquesoccupés (1 sur 2)
8
Si monocristallin
Silicium pureté électronique (qq ppm ou qq ppb)
Méthode de tirage
Liquide
Germe
Monocristal
T > C
Liquide
Germe
9
n =3 M
18(4)
niveau électrons
n=1 K
2
1s2
n= 2 L
8
2s2 2p6
3s2
3p2
STRUCTURE ELECTRONIQUE - Si
1 Atome
n Atomes
MODELE DE BANDESO O O
0
10
- - - - - - - - - - - - - -
Bande de conduction (e-)
Bande de valence (trou)
Bande Interdite
Energie + + + + + + + + + +
E gap
0 Kelvin : Bande de valence pleine Bande de conduction vide
Cristal parfait
Modèle des bandes
T (°K) : Remplissage de la bande de conduction dépend de la valeur de E gap :
Métaux : bande de conduction pleine
Isolant : Bande de valence pleine
Semiconducteurs : Intermédiaire
11
Dopage de Si : type N
+ + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - -
E gap
Si °P
Si Si
P° P+ + 1e -
Substitution d’atome : Si par P
Type N
---P+ P+ P+ P+ P+ P+Bande de conduction
Bande de valence
Bande interdite (aux e- de Si)
E
E
12
Dopage Si : type P
+ + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - -
E gap
Si °B
Si Si
trou
Substitution d’un atome :Si par P
B* B- + trou
B*+e- B-
---B- B- B- B- B- B- B-B- B- B- B- B- B- B-
Bande interdite (aux e- de Si)
Bande de conduction
Bande de valence
E
E
13
Dispositifs électroniquesLes matériaux S. C. Dispositif /composant
qq mqq 1/10mm
Couche active
Substrat
SUBSTRAT : Croissance monocristalline souvent en phase liquide
COUCHE ACTIVE : Epitaxie sur le substrat monocristallin souvent en phase gazeuse
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L’épitaxie, empilement des atomes les uns sur les autres en conservant l’ordre sous-jacent : couche mince monocristalline sur un substrat monocristallin de même paramètre de maille (différence acceptable qques 10-3 )Empilement simultané d’atomes semiconducteurs et d’atomes d’impuretés ou dopants
Elaboration de la couche active
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Dispositif électronique de base
Le transistor (transfer resistor) est le dispositif électronique le plus simple
Un composant bipolaire car les électrons et les trous participent simultanément aux phénomènes de conduction.
3 couches semiconductrices1 – émetteur (couche dopée N)2 – base (couche dopée P)3 – collecteur (couche dopée N)
Transistor NPN
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DISPOSITIF SiCDISPOSITIF SiC
SUBSTRAT EPITAXIE DISPOSITIF
Technologie
SiC N+
SiC N-
SYSTEME
Diode SCHOTTKY