La position du niveau de Fermi à T = 0 K est aussi représentée ou isolant . Un bon semi-conducteur pour des panneaux photovoltaïques doit avoir une énergie de gap ni trop basse ni trop élevée. La bande inférieure est appelée la bande de valence, quicorrespond aux électrons liés à des sites de réseau spécifiques dans le cristal. Une résistance chauffante est accolée à l’échantillon. 1 Optique dans les semi-conducteurs Dans cette partie, on s’intéresse à l’interaction entre photons, électrons et trous, près du gap du semi-conducteur. Activité 3 : De l’atome aux matériaux semi-conducteurs Les premiers effets photoéletriques, ’est -à-dire la prodution d’életriité à partir de matériaux asorant la lumière, ont été observés dès le XIX ème sièle. d'un trou m h) dans le cristal. sèque ou intrinsèque (dopé ou non), et, pour le semi-conducteur intrinsèque, son énergie de gap. Le meilleur compromis est obtenu en choisissant des semi-conducteurs ayant un gap compris entre 1 et 1,7 eV. ★ Énergie de gap du silicium: Add an external link to your content for free. En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre atomes voisins). L’industrie fabrique les semi-conducteurs avec un haut degré de pureté (moins de 1 atome étranger pour 1011 atomes de semi-conducteur) : on parle alors de semi-conducteur intrinsèque. Synthèse Les photons absorbés par un semi-conducteur permettent de fournir de l'énergie à des électrons qui deviennent conducteurs du courant électrique, en passant dans la bande de conduction. une énergie supérieure à celle du gap du silicium. Chapitre II: Etude des Semi-conducteurs intrinsèques à l’équilibre II.1. Ils mettent en commun des électrons de leur couche périphérique pour constituer des liaisons covalentes. Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. En physique des semi-conducteurs, on appelle gap la largeur de la bande interdite, laquelle est l'intervalle d'énergies situé entre l'état de plus basse énergie de la bande de conduction et l'état de plus haute énergie de la bande de valence. Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. EFSC J (ou eV) Niveau de Fermi du semi-conducteur EG J (ou eV) Gap ou largeur de la Bande Interdite Ei J (ou eV) Energie du milieu de la bande interdite (E C+E V)/2 EV J (ou eV) Energie du haut de la bande de valence E r Vm-1 Champ électrique fn(E) - Probabilité d’occupation d’un niveau d’énergie E par un électron fp(E) - Probabilité d’occupation d’un niveau d’énergie E par un trou Les tensions tendent vers 0 car les impuretés gouverne les échanges de charges. 4. Un semi-conducteur est un isolant pour une température de 0K. Enfin, dans le cas des semi-conducteurs, au milieu, il existe une bande interdite aussi, mais cette dernière est très fine. Il suffit d’un petit quelque chose pour que les électrons de valence puissent passer dans la bande de conduction et ainsi rendre le semi-conducteur… conducteur. La igure 3 correspond à une représentation sur un plan de la f structure. Quand un photon heurte la cellule, il transmet son énergie aux électrons des semi-conducteurs. Mais en réalité, les Là où le… Schéma des bandes d'un semi-conducteur. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type physique des semi-conducteurs. Dans le cas des semi-conducteurs, l'énergie de gap modérée ( 1 eV et variable d'un matériau à l'autre) rend plus probable le transfert d'électrons de la bande de valence vers la bande de conduction par un apport énergétique (d'origine thermique, optique, électrique) raisonnable. 2 Principe général de l’expérience Figure 3: Schéma de l’appareillage expérimental. bande de valence). Figure 1A montre les bandes d'énergie d'un semi-conducteur matériau, où Eg est la magnitude en électron-vol (eV) de la bande interdite interdite. D’après la physique quantique, un atome ne peut exister que dans certains états d’énergie (on dit que ses états d’énergie sont quantifiés). Ce dernier a un gap indirect de 1,11 eV. I. Définition d’un semi-conducteur I.1. fondamentale des semi-conducteurs. Le terme de gap apparait dans le cadre de la physique des semi-conducteurs lorsqu'on considère la bande de valence et la bande de conduction de ceux-ci. Il y a des exceptions. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type La polarisation de cette jonction par une source de tension extérieure montre un comportement dissymétrique qui est à l’origine de la première grande application des semi-conducteurs dopés : la diode à jonction. une énergie supérieure à celle du gap du silicium. Dans un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...), comme dans un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....), ces deux bandes sont séparées par une bande interdite, appelée couramment « gap ». La bande de valence correspond à la bande d'énergie la plus élevée entièrement remplie d'électrons. Permalink. La couche électronique périphérique assure la stabilité de l’atome. La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur : le diagramme E (énergie) - k (nombre d'onde). Par exemple, un diamant semi-conducteur a une bande interdite de largeur 6 eV, semi-isolant GaAs – 1.5 eV. L’industrie fabrique les semi-conducteurs avec un haut degré de pureté (moins de 1 atome étranger pour 1011 atomes de semi-conducteur) : on parle alors de semi-conducteur intrinsèque. La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur: Diagramme E (Energie) - k (Vecteur d'onde). aux sommets d’un tétraèdre par une liaison covalente : Ces éléments sont « tétravalent ». L’électron dans la BC devient libre. Dans un matériau semi-conducteur, ce gap est faible. Rappeler la définition du gap d’un semi-conducteur, son ordre de grandeur, ainsi que la structure de Le matériau, isolant, devient alors un conducteur sous l'effet de cet énergie. Semi-conducteurs intrinsèques. B. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type µn + e.p. G. De Lentdecker & K. Hanson Semiconducteurs extrinsèques & dopage 7 ! Pour un semi-conducteur intrinsèque, ces porteurs libres ne proviennent que de transitions électroniques de la bande de valence vers la bande de conduction sous l’effet d’excitations extérieures, optiques ou thermiques par exemple. Un photon est absorbé par un semi-conducteur quand son énergie est supérieure au gap, sinon il le traverse ; ainsi, ces deux photons d'énergie supérieure au gap peuvent être absorbés. Les candidats mesurent alors des propriétés sans pouvoir les comparer à quoi que ce soit. Quand le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence coïncident dans l’espace des k, il s’agit d’un gap direct. • Pour les semi-conducteurs, la bande de valence et la bande de conduction sont séparées par un gap plus faible, compris entre 0,5 et 4 eV, mais le plus souvent voisin de 1 eV. Dans un matériau semi-conducteur, ce gap est faible. Le matériau est normalement isolant mais si l'on transmet à ses électrons de valence une énergie supérieure à celle de son gap, ils peuvent passer de bande de valence à la bande de conduction. Le matériau devient alors conducteur électrique. Le semi conducteur dopé : Dans un semi conducteur dopé sont introduites des impuretés bien choisies qui vont modifier considérablement les propriétés de conduction du matériau, notamment la structure des bandes en énergie (ajout d’une bande). Dans le cas des semi-conducteurs, l'énergie de gap modérée ( 1 eV et variable d'un matériau à l'autre) rend plus probable le transfert d'électrons de la bande de valence vers la bande de conduction par un apport énergétique (d'origine thermique, optique, électrique) raisonnable. Le matériau devient alors conducteur électrique. Le terme « semi-conducteur » désigne un composant essentiel intégré à des millions d'appareils électroniques utilisés, entre autres, dans les secteurs de l'éducation, de la recherche, des communications, de la santé, des transports et de l'énergie. Définition des semi-conducteurs intrinsèques à gap direct et à gap indirect. Bonjour à tous, Je recherche des informations sur les semi-conducteurs concernant le calcul de l'énergie de gap en fonction : - De la longueur de maille du réseau. 1.3 STRUCTURE DE BANDE ET NIVEAU DE FERMI Un matériau semi-conducteur se caractérise par sa structure de bande. énergie e-semi-conducteur W F W G.1eV gap assez élevé ü To crée qq e-libres valence conduction isolant énergie e-W F gap très élevé ü To crée . Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Dans un atome isolé, l'énergie des électrons ne peut posséder que des valeurs discrètes et bien définies, par contraste au continuum I.8. Le… à l’aide de semi-conducteurs, diverses fonctions de la technologie et de l’électronique moderne : amplification, communication, automatismes, calculs etc. Activité 3 : De l’atome aux matériaux semi-conducteurs Les premiers effets photoéletriques, ’est -à-dire la prodution d’életriité à partir de matériaux asorant la lumière, ont été observés dès le XIX ème sièle. La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur : le diagramme E (énergie) - k (nombre d'onde). Synthèse Les photons absorbés par un semi-conducteur permettent de fournir de l'énergie à des électrons qui deviennent conducteurs du courant électrique, en passant dans la bande de conduction. Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Cependant ce type de matériau ayant une énergie de gap plus faible que l'isolant (~1eV), aura de par l'agitation thermique (T=300K), une bande de conduction légèrement peuplée d'électrons et une bande de valence légèrement dépeuplée. Le meilleur compromis est obtenu en choisissant des semi-conducteurs ayant un gap compris entre 1 et 1,7 eV. Les traits figurent les électrons de valence. Mais le m´ecanisme de conduction est diff´erent de celui des m´etaux : Un ´electron promu dans la bande de conduction laisse un trou positif dans la bande de valence. Un faible apport d’énergie fourni par Fig 7 dopage N µp (eq.5) semi-conducteur intrinsèque: n = p = ni et conductivité intrinsèque σi = e.n i. Le concept de masse effective introduit dans les expressions précédentes permet de traiter les électrons (et les trous) qui sont dans le cristal des particules quasi-libres, comme des quasi-particules libres. Le semi-conducteur a la particularité de se comporter comme un conducteur lorsqu'il y a interaction du rayonnement et comme un isolant lorsqu'il n'y a pas interaction. Dopage d’un semi-conducteur En incluant des atomes au cristal semi-conducteur, des « impuretés », on réalise un dopage: → Si ces atomes comportent plus d’électrons sur leur couche de valence que ceux du semi-conducteur, les électrons excédentaires forment un état discret juste au dessous de la bande de conduction. La conductivité d'un semi-conducteur est donc σ = e.n. Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie des bandes d'énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande interdite suffisamment petite pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la bande de conduction. Il a fallu attendre l’arrivée de la physique quantique au déut du XX siècle pour pouvoir les expliquer. Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. 0 e-libres W G >5eV 10 Les bandes d'énergie définies précédemment se peuplent en commençant par les niveaux les plus bas. - De la longueur d'onde associée. Les semi-conducteurs Sous l'action d'un champ électrique, les électrons et les trous ont une vitesse de dérive dans un semi-conducteur: R =𝜇 Rℎ=𝜇ℎ R , Rℎ = vitesse de dérive des électrons & des trous (cm.s-1) 𝜇 , 𝜇ℎ = mobilité (cm2.V-1.s ) E= champ électrique (V.cm-1) A 300°K, pour le silicium, 𝜇 Identifier les semi-conducteurs qui répondent le mieux à ces critères. Il a fallu attendre l’arrivée de la physique quantique au déut du XX siècle pour pouvoir les expliquer. I.7. Un semi-conducteur est un isolant pour une température de 0K. On parle de gap direct lorsque ces deux extremums correspondent au même quasi-moment (quantité de mouvement associée au vecteur d'onde dans la première zone de Brillouin), et de gap indirect lorsque la différence entre les vecteurs d'onde de ces deux extremums est non nulle. La figure I.2 présente les différentes transitions possibles selon la nature du gap. Pour cela, on mesure la conductivité du matériau en fonction de sa température. CB est la bande de conduction et VB est la bande de valence. La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur : le diagramme E (énergie) - k (nombre d'onde). Le matériau est normalement isolant mais si l'on transmet à ses électrons de valence une énergie supérieure à celle de son gap, ils peuvent passer de bande de valence à la bande de conduction. C’est en partie pourquoi les processeurs doivent être Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Lors de l’expérience, trois échantillons semi‐conducteurs encapsulés (jonctions p‐n de transistors ou Les zones colorées en rouge représentent les domaines d’énergie effectivement occupés par des électrons. Cependant ce type de matériau ayant une énergie de gap plus faible que l'isolant (~1eV), il aura, de par l'agitation thermique (typiquement vers T=300K), une bande de conduction légèrement peuplée d'électrons et une bande de valence légèrement dépeuplée. Par exemple, un diamant semi-conducteur a une bande interdite de largeur 6 eV, GaAs semi-isolant - 1,5 eV. Pour résumer simplement, cette théorie dit que les électrons dans un solide peuvent être dans deux états : soit ils sont fortement liés aux atomes, soit ce sont des électrons libres. ( µn+µp) semi-conducteur dopé n+: p << p i et n ≈ ND donc σn = e.N D.µn semi-conducteur dopé p+: n< très peu d’électrons peuvent franchir ce « gap » => très faible courant G. De Lentdecker & K. Hanson 6 . La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur : le diagramme E (énergie) - k (nombre d'onde). voisinage d’un minimum de bande d’énergie quand m* peut être définie Calcul de la densité d’états en fonction de l’énergie Calculons le nombre d’états dans une sphère de rayon k: N = volume de la sphère x densité d’état volumique x 2 (spins +1/2 et -1/2) = 4/3 k3 x 1/8 3 x 2 = 1 3 2 2m* h ()E E 0 3/2 7 La théorie des bandesest une théorie physique qui décrit le fonctionnement des semi-conducteurs, mais aussi des conducteurs et des isolants. La bande de conduction est définie comme le premier niveau énergétique au dessus de … On distingue alors les semi-conducteurs petit gap qui ont une bande interdite très inférieure à 1 eV et les semi-conducteurs … Les métaux et les demi-métaux sont des matériaux sans rupture d'énergie, et les substances dans lesquelles elles dépassent 3 eV sont appelées isolants. Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie des bandes d'énergie. Le monde des semi-conducteurs est dominé, en terme de marché, par le silicium. Les zones colorées en rouge représentent les domaines d’énergie effectivement occupés par des électrons. Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. On utilise deux types d’impuretés : Ces matériaux étant utilisés depuis longtemps, ils ont défini une valeur de référence pour le gap, de l’ordre de 1 eV. Maintenant, il n'est pas exclu qu'une apport d'énergie fasse passer un électron quelconque (non liant) dans la couche de conduction même si cette couche était vide. Permalink. Pour un semi-conducteur à gap direct, m c (resp. Si l’énergie absorbée est suffisante pour permettre le passage de la bande interdite (hv > Egap = Éconduction – Evalence), ces électrons quittent leur bande de valence et entrent dans la bande dite de conduction. Cependant, l'énergie électrique maximale que l'on peut espérer récupérer est égale à celle du gap, soit 2x1,1 = 2,2 eV. La théorie des bandes appliquée aux semi-conducteurs amène à considérer unebande de valence entièrement pleine qui est Physique des semi-conducteurs – A Chovet & P. Masso n 10 q C Valeur absolue de la charge de l’électron (1,6×10-19 C) RH m3C-1 Coefficient de Hall Rn,p m-3s-1 Taux de recombinaison des électrons (indice n) et des trous (indice p) T K Température absolue La structure d’un semi-conducteur • Structure diamant - Si ou Ge a = 5.43Å (Si) 5.66Å (Ge) Structure cubique à faces centrées 2 CFC imbriqués, 8 atomes dans une maille. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Si les électrons libres peuvent servir de porteurs de charges, ce n'est pas le cas des électrons liés. Doc. Chaque atome est lié à 4 voisins placé aux sommets d’un tétraèdre par une liaison covalente : il s’agit d’atone «tétravalent » 6- Les semi-conducteurs purs ou intrinsèques Dans un semi-conducteur pur, le gap est assez faible pour autoriser, à température ambiante, le passage d’un petit nombre d’électrons de la BV dans la BC. Cela implique que seuls les photons ayant une énergie supérieure à Eg seront en mesure de déloger un électron de la bande de valence pour le faire passer dans la bande de conduction, contribuant ainsi à l’apparition d’un courant électrique. Toutefois, leur ´energie de gap est suffisamment faible pour qu’ils soient sensiblement conducteurs aux temp´eratures accessibles dans cette exp´erience. Identifier les semi-conducteurs qui répondent le mieux à ces critères. Par exemple, l’atome de silicium possède 4 électrons sur sa couche périphérique car il appartient à la 4° colonne de la classification périodique des éléments indiquée ci-dessous.
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