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Romuald Houdré - 2006 /2007 Section science et génie des matériaux 1 2 Sujet du

Romuald Houdré - 2006 /2007 Section science et génie des matériaux 1 2 Sujet du cours Physique des semiconducteurs inorganiques et des composants Inorganiques: semiconducteurs cristallins tels que Si, Ge, GaAs, GaN Composants: par exemple la diode laser dans un lecteur DVD 3 Le cours de dispositifs électroniques et optiques à semiconducteurs dans la section science et génie des matériaux Fait suite à : Physique générale I, II, III et IV Solid state physics Egalement ce semestre : Mécanique quantique pour l'ingénieur I Optoélectronique Technologie de fabrication des circuits intégrés Technologie des microstructures Technologie des capteurs Prépare à : Microélectronique Mécanique quantique pour l'ingénieur II 4 Semiconducteurs à l’EPFL • IPEQ – Semiconducteurs inorganiques (III-V) • LOMM (Laboratoire d'optoélectronique des matériaux moléculaires) – Semiconducteurs organiques, polymères • IPN (Institut de physique des nanostructures) – Agrégats, nanostructures semiconducteurs • ITP (Institut de théorie des phénomènes physiques) – Physique théorique • IMM (Institut de Microélectronique et Microsystèmes) – Microtechnique • CMI (Centre de Micro-Nano technologie) – Technologie du Silicium 5 Objectifs du cours • Comprendre – ce qu’est un semiconducteur – ce que sont ses propriétés physiques – ce qui les gouverne • Décrire et interpréter un phénomène • Connaître les différents domaines d’applications • Choisir le bon dispositif pour une application donnée • Former pour la recherche académique et la R&D 6 Un exemple: le laser Emission lumineuse et cohérente ? Longueur d’onde ? Température de fonctionnement ? Durée de vie ? Coût ? 7 Plan du cours 1. Introduction - Caractéristiques physiques des semiconducteurs - Quels Matériaux pour quel type d’applications 2. Propriétés électroniques des semiconducteurs - Structure de bandes - Statistiques d’occupation des bandes - Propriétés de transport - Processus de recombinaison 3. Jonctions et interfaces - Jonctions métal/semi-conducteurs - Jonction p-n à l’équilibre, Jonction p-n hors-équilibre 4. Composants électroniques - Transistors bipolaires - Transistors à effet de champ - Dispositifs quantiques - Nouveaux matériaux 5. Composants optoélectroniques - Détecteurs - Diodes électroluminescentes - Diodes lasers - Lasers à émission par la surface - Lasers à cascade quantique 1/3 bases 1/3 transport 1/3 optique 8 Cours: copie des transparents - distribués au début du cours - téléchargeables, http://ipeq.epﬂ.ch/goeq/Cours_RH Examen: oral Bibliographie: livres + web Organisation / modalités http://nobelprize.org/physics/educational/semiconductors/index.html 9 Bibliographie Physique du solide - Kittel "Physique de l'état solide" (Dunod), 1998 - Ashcroft NW and Mermin ND, «Solid State Physics », Saunders, 1976 - G. Bastard, « Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures », Ed. de Physique, 1992 - J. Pankove, « Optical processses in semiconductors », Dover, 1975 Semiconducteurs: propriétés et technologie - F. Levy “Physique et technologie des semiconducteurs » (TM volume 18) PPUR, 1995 - M.J. Kelly, « Low dimensional semiconductors, materials, physics, technology, devices», Clarendon Press, Oxford, 1995 Semiconducteurs dispositifs électroniques - H. Mathieu « Physique des semiconducteurs et des composants électroniques », Dunod, 2001 - S.M. Sze « Physics of semiconductor devices » John Whiley & sons, 1981 - E. Rosencher et B. Vinter, « Optoelectronique », Masson, Paris, 1997 - C. Weisbuch et B. Vinter, « Quantum semiconductor devices» Academic Press 1991 10 Cours 1 Survol des sujets abordés dans le cours 11 Recherche et Industrie Industrie Recherche 12 Recherche et Industrie Recherche en Europe: - Allemagne - UK - France - Suisse (ETHZ, EPFL, UNINE, CSEM) Industrie: - STMicroelectronics, microélectronique - ATMEL, microélectronique - Infineon Technologies, microélectronique - Thales, microélectronique - OSRAM, éclairage, DEL, lasers SC - MITEL, télécommunications - Soitec, substrat SOI - Bookham, optoélectronique - Alpes lasers, laser cascade quantique - Innovative Silicon, mémoires European Electronic Component Manufacturers Association (EECA) 13 Introduction Qu’est-ce qu’un Semiconducteur ? Molécule organique Diamant Silicium 14 Métal / isolant Métal: la conductivité diminue avec la température Energie États occupés États vacants 15 Notion de bande interdite Pour des applications: Eg>>kBT à 300K T = 300 K Exercice: valeur de kBT à température ambiante ? 16 Semiconducteur La conductivité augmente avec la température et est très sensible aux impuretés ~exp(-Eg/kBT) dopé Non dopé «Über Halbleiter sollte man nicht arbeiten, das ist eine Schweinerei; wer weiß ob es überhaupt Halbleiter gibt» W. Pauli, 1931 17 Impuretés dans les semiconducteurs La présence d’impuretés (donneur ou accepteur) modifie profondément la conductivité du matériau. C’est cette caractéristique qui est à l’origine de la jonction p-n et du premier transistor (1947, Prix Nobel 1956) 18 La jonction p-n Le potentiel subit par les électrons présente une barrière. L’application d’une tension permet d’abaisser cette barrière et de laisser passer le courant 19 20 Propriétés optiques E Bande de conduction Bande de valence Bande interdite e Un semiconducteur est (généralement) transparent pour une onde électromagnétique d’énergie inférieure à la bande interdite Lumière 21 Bande interdite et Matériaux Si Diamant II III IV V VI B C N O Al Si P S Zn Ga Ge As Se Cd In Sn Sb Te 22 Bande interdite: directe et indirecte E E k k 0 0 ki Bande interdite directe Bande interdite indirecte Optoélectronique Electronique 23 Caractéristiques principales • Bandes d’énergie • Contrôle de la conductivité (jonction p-n) • Fabrication – Intégration (coût et performance) – Dispositifs quantiques et dimensions atomiques 24 Les semiconducteurs aujourdhui • Quelques dispositifs majeurs • Applications marquantes • Tendances en recherche fondamentale 25 Quels types de dispositifs ? • Electroniques: agissent sur le courant – Diodes, transistors, varistances • Optoélectroniques: mettent en jeu électrons et lumière – Émetteurs: DELs, LDs – Détecteurs: Photodiodes, cellules solaires 26 Electronique 27 Applications • Electronique, circuits intégrés • Transistors hyperfréquence • Transistors de puissance • Mémoires • Capteurs 28 Le transistor bipolaire Le courant collecteur Ic est relié au courant base Ib par la relation Ic = .Ib Le coefficient est le gain en courant du transistor 29 Fonctionnement Jonction n-p-n Non polarisée Polarisée 30 Le transistor MOS Métal-Oxide-Semiconducteur Silicium P Métal Zone d’isolation n+ n+ Métal : Bleu Oxyde : Rouge Semiconducteur : Vert 31 Caractéristiques électriques Source Drain V. Grille > V. Seuil La tension de la grille contrôle le courant entre source et drain n+ n+ 32 Vers la miniaturisation Année Nb transistors fréquence réelle Loi de Moore fréquence prévue 1972 2 300 0,108 2 300 0,108 1974 6 000 2 7 302 0,342 1974 6 000 2 7 302 0,342 1982 134 000 6 294 400 13,82 1990 1 200 000 25 7 477 293 351,1 1996 5 500 000 150 150 732 800 7 077 1999 29 000 000 450 759 645 711 35 670 2001 42 000 000 1 400 1 519 291 421 71 340 La loi de Moore Gordon Moore, cofondateur de la société Intel avait affirmé en 1965 lors d’une conférence de presse que "le nombre de transistors par circuit de même taille va doubler tous les 18 mois". En fait, plutôt tous les deux ans 33 Taille de grille et fréquence importance de la miniaturisation 34 Limite à la miniaturisation? 35 Matériaux à haute permittivité IBM Zürich 36 Nouvelles approches 37 Nanotubes de carbone 38 Transistor à 1 électron 39 Optoélectronique 40 Applications Diodes électroluminescentes (DEL, LED): - Affichage - Eclairage - Purification de l’eau (UV) Diodes Lasers: - CD-ROM, DVD - Télécommunication - Imprimante - Projection Cellules solaires Détecteurs (IR, UV) 41 Diodes émettrices de lumière (DEL) Region active Type n Type p 42 Région active (DEL et lasers) 3.5 nm In0.2Ga0.8N/GaN QW Puits quantique Augmentation de la probabilité de recombinaison + Contrôle de la longueur d’onde d’émission par - la largeur du puits (1-10 nm) - la hauteur des barrières - la bande interdite du matériau puits E = hc/ 3 nm BV BC 43 Application DEL 44 Application DEL: écran Blue and green LEDs allow to increase the color gamut of EL displays compared to RGB color CRT based on phosphors Blue LEDs are essential for white light emission 2 colors: Blue+Yellow 3 colors: Blue+Green+Red CRT LEDs 45 At the end of the 90’s, the emergence of high brightness blue LEDs opens the way for solid state lighting: Partial conversion of LED blue light by a yellow phosphor Phosphore substrat transparent Application LEDs: éclairage 46 2006: the luminous efficiency of white LEDs is 100 lm/W (R&D) 2010: LED efficiency should compete with fluorescent tubes. Energy consumption Long lifetime (50 000 h) Safety Compacity Application LEDs: éclairage 2005 Best white LED 2006 Lumen: flux rayonné par unité d’angle solide, normalisé à la sensibilité de l’œil. 47 Remarque: La « puissance » d’une lampe c’est l’énergie électrique dissipée, pas l’énergie lumineuse émise. Exemple: le phare de Cordouan - années 70: 6000 W - 2006: 150 W et on voit le phare tout aussi bien 48 Luminous efficiency versus device size Roadmap: LEDs will replace most of the light sources in 2020 Application LEDs: éclairage 49 Diode laser à semiconducteur Milieu amplificateur de lumière + cavité (miroir) 1 m x 3 m x 200 m 50 Diode laser Les facettes sont généralement obtenues par clivage de la plaque Existence d’un seuil pour l’émission stimulée 51 Capacité de stockage Technologie Laser, longueur d'onde Capacité de stockage (min/max) Débit nominal Diamètre du disque Épaisseur CD uploads/Ingenierie_Lourd/ electronique-de-puissance.pdf