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SEMICONDUCTEURS DOPES Emmanuel Rosencher
0 Courbure de bande A Éléments de théorie du
dopage n et dopage p B Niveau de Fermi et
densité de porteurs dans les bandes C
Dégénérescence D Impuretés et compensation E
Zone de charges despace et jonction Schottky F
Techniques de dopage des semiconducteurs
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COURBURE DE BANDE
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DIAGRAMME DE BANDE
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LE NIVEAU DE FERMI EST CONSTANT DANS TOUTE
STRUCTURE A LEQUILIBRE THERMODYNAMIQUE
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DEPLETION - ACCUMULATION
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UTILISATION DES SEMICONDUCTEURS POUR LA LOGIQUE
En imposant des variations de potentiel dans un
semiconducteur, on peut moduler la densité
locales de porteurs et donc la conductivitéélectr
ique sur des dizaines dordre de grandeurs !!!
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SEMICONDUCTEURS DOPES Emmanuel Rosencher
A Éléments de théorie du dopage n et dopage p B
Niveau de Fermi et densité de porteurs dans les
bandes C Dégénérescence D Impuretés et
compensation E Zone de charges despace et
jonction Schottky F Techniques de dopage des
semiconducteurs
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Tableau de Mendeleev
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Tableau de Mendeleev
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Niveaux donneurs hydrogénoïdes

• Le électron sur un niveau donneur hydrogénoïde se
  comporte
• comme un électron dans un atome dhydrogène
• de masse mC
• dans un milieu dindice effectif eR
• avec comme origine des énergies, la bas de la
  bande de
• conduction du semiconducteur

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Niveaux hydrogénoïdes et Hamiltonien de masse
effective
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Niveaux accepteurs hydrogénoïdes

• Le électron sur un niveau accepteur hydrogénoïde
  se comporte
• comme un électron dans un atome dhydrogène
• de masse -mv
• dans un milieu dindice effectif eR
• avec comme origine des énergies, le haut de la
  bande de
• valence du semiconducteur

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EXEMPLE HYDROGENOÏDE DANS LE SILICIUM
Plus limpureté est grosse,
plus le cristal est déformé,
plus le niveau est profond
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SEMICONDUCTEURS DOPES
A Éléments de théorie du dopage n et dopage p B
Niveau de Fermi et densité de porteurs dans les
bandes C Dégénérescence D Impuretés et
compensation E Zone de charges despace et
jonction Schottky F Techniques de dopage des
semiconducteurs
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Probabilités doccupation des niveaux
hydrogénoïdes
Combien délectrons ont quitté les niveaux
hydrogénoïdes donneurs?
Combien délectrons occupent les niveaux
hydrogénoïdes accepteurs?
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Niveau de Fermi EF dans le cas le plus
général pour un semiconducteur non dégénéré
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Equation à une inconnue EF
Un exemple typique où la connaissance de
léquation maîtresse
na aucun intérêt physique !
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Semiconducteur dopé n régime dionisation
totale des porteurs (1)
La température est suffisamment haute pour que
tous les niveaux donneurs soient ionisés
Cas1 Le gap du semiconducteur est suffisamment
élevés (ou la température suffisamment basse)
pour que la densité de porteurs intrinsèques
soient négligeables
Régime dépuisement des donneurs
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Semiconducteur dopé n régime dionisation totale
des porteurs (2)
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Semiconducteur dopé n régime intrinsèque
Régime intrinsèque (c.à.d indépendant du dopage)
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Semiconducteur dopé n régime de gel des porteurs
PC
Régime exponentiellement activé
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LES DIFFERENTS REGIMES THERMIQUES
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PARAMETRES DE QUELQUES SEMICONDUCTEURS
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Comportement de différents semiconducteurs
Si 4 meV
Sb 39 meV
Si 120 meV
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Pourquoi le Germanium a disparu
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SEMICONDUCTEURS DOPES
A Éléments de théorie du dopage n et dopage p B
Niveau de Fermi et densité de porteurs dans les
bandes C Dégénérescence D Impuretés et
compensation E Zone de charges despace et
jonction Schottky F Techniques de dopage des
semiconducteurs
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Semiconducteur dégénérés
La densité de porteurs est indépendante de la
température (régime métallique)
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Évolution du niveau de Fermi en fonction de la
densité de porteurs
Évolution lente du niveau de Fermi avec la
densité
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SEMICONDUCTEURS DOPES
A Éléments de théorie du dopage n et dopage p B
Niveau de Fermi et densité de porteurs dans les
bandes C Dégénérescence D Impuretés et
compensation E Zone de charges despace et
jonction Schottky F Techniques de dopage des
semiconducteurs
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DEFAUTS PROFONDS DANS LES SEMICONDUCTEURS
Au
Impuretés métalliques
Le niveau de Fermi est bloqué sur le niveau
dimpureté Au, Cu silicon killer Pas de
porteurs libres dans le semiconducteur ?
semi-isolant (GaAsCr)
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DEFAUTS PROFONDS DANS Si et GaAs
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SEMICONDUCTEURS DOPES
A Éléments de théorie du dopage n et dopage p B
Niveau de Fermi et densité de porteurs dans les
bandes C Dégénérescence D Impuretés et
compensation E Zone de charges despace et
jonction Schottky F Techniques de dopage des
semiconducteurs
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Jonction Schottky
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Zone de charges despace concept
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Zone de charge despace outil logique
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Calcul de la zone de charge despace principe
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Calcul de la zone de charge despace Calcul
exact (1)
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Approximation de la zone désertée (2)
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Largeur de zone de charges despace
Sir Neville Mott
effet tunnel
Walter Schottky
Loi de Schottky-Mott
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Longueur de Debye
Que se passe-t-il près de f(x) ?0 ?
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SEMICONDUCTEURS DOPES
A Éléments de théorie du dopage n et dopage p B
Niveau de Fermi et densité de porteurs dans les
bandes C Dégénérescence D Impuretés et
compensation E Zone de charges despace et
jonction Schottky F Techniques de dopage des
semiconducteurs
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Dopage local
Recuit - diffusion
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Diffusion du dopant
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Contact ohmique
n
n
Resistance vs dopage Si