electro

1. Université Sidi Mohamed Ben Abdellah
Faculté des Sciences Dhar el Mahraz Fès
Master :PNOMER
Électroluminescence
Présenté par :
• MOHAMMED TALEB
Encadré par :
• Pr: A.Jorio

2. Plan
Introduction
Transitions optiques radiatives dans les semi-conducteurs
Jonction P-N
Spectroscopie de l’électroluminescence
Conclusion

3. L'électroluminescence est une interaction entre l'électricité et la
lumière, où un matériau émet de la lumière lorsqu'il est soumis à
un courant électrique. Ce phénomène se produit souvent au
niveau d'une jonction P-N sous l'influence d'une différence de
potentiel, illustrant ainsi l'union entre les aspects optiques et
électriques du matériau.
1
Introduction

4. EC
EV
EG
Interbande Intrabande
impuretés
Et
EA
ED
Les principales transitions optiques au sein d'un semiconducteur
Transitions optique radiatives dans le SC
2

5.  Transition bande à bande:
Ces transitions se produisent entre les électrons de la bande de conduction
et les trous de la bande de valence.
• Pour un semi conducteur à GAP DIRECT tel que le (GaAs), la transition
s’effectue avec la conservation du vecteur d’onde k.
• Pour un semi conducteur à GAP INDIRECT tel que le (Si), la transition à lieu
avec émission ou absorption d’un photon ce qui assure la conservation de la
quantité de mouvement .
Pour un semi-conducteur a gap direct: ℎ𝜈 = 𝐸𝒇 − 𝐸𝒊
Pour un semi-conducteur a gap indirect : ℎ𝜈 = 𝐸𝒇 − 𝐸𝒊 ± 𝐸𝒑𝒉
𝐸𝑝ℎ ∶étant l’énergie du phonon mis en jeu lors de la transition.
± : correspond respectivement à l’absorption et à l’émission.
3

6.  Transition entre bande-impureté:
Une transition radiative peut avoir lieu entre un état d'impureté
donneur et la bande de valence ou entre la bande de conduction et un
état d'impureté accepteur (inter-bandes).
L’énergie du photon émis par une tel transition est donnée par :
pour un semi conducteur à GAP DIRECT:
𝒉𝝂 = 𝑬𝒈 − 𝑬𝑫 ou 𝒉𝝂 = 𝑬𝒈 − 𝑬𝑨
pour un semi conducteur à gap indirect:
𝒉𝝂 = 𝑬𝒈 − 𝑬𝑫 ± 𝑬𝒑𝒉 ou 𝒉𝝂 = 𝑬𝒈 − 𝑬𝑨 ± 𝑬𝒑𝒉
4

7.  Transition Donneur-Accepteur (DAP):
5
La transition donneur-accepteur est rendue possible lorsque le matériau
contient à la fois les deux atomes impuretés donneurs et accepteurs. Ce
type de transition se fait entre un électron d’un niveau donneur et un trou
d’un niveau accepteur. Ces impuretés sont à une distance r l’un de l’autre
formant une paire (DAP).
A cause de l’attraction coulombienne entre le trou lié à l’accepteur et
l’électron lié au donneur, l’énergie du photon résultant de la transition
donneur-accepteur est donnée par :
𝑬𝒏(‫𝑬=)ܲܣܦ‬𝒈 − (𝑬𝑨 + 𝑬𝑫) +
𝒆𝟐
𝟒 𝝅ɛ𝟎ɛ𝒓𝒓𝒏
𝑬𝑨 : les énergies des donneurs
les énergies des accepteurs
𝑬𝑫 :
ɛ𝐫 : est le constant diélectrique du semi-conducteur et r est la
séparation entre accepteur et donneur.

8.  Transitions intra-bande:
La recombinaison intra-bandes des semi conducteurs
6

9. Jonction PN :
• Définition :
Une jonction PN représente la mise en contact d'une surface de
cristal de semi-conducteur dopé P avec une surface de cristal de
semi-conducteur dopé N.
Nous avons donc :
à gauche, une zone P, contenant des trous.
à droite, une zone N, contenant des électrons libres 7

10. • Phénomène de diffusion :
 Diffusion : les électrons de la zone N viennent combler les trous
dans la zone P
 Création d’une zone dépourvue de porteur mobile (zone de
déplétion ou zone de charge d’espace) – Il existe alors une
différence de potentiel et donc un champ interne qui s’oppose à
la diffusion des électrons de la zone N vers la zone P
Zone de charge d’espace
Rappel : les électrons se déplacent dans le sens opposé du champ électrique 8

11. • Polarisation d'une jonction :
 Polarisation dans le sens direct :
Les phénomènes de luminescence sont déterminés par Le mode de polarisation
9
 Polarisation dans le sens inverse :

12. • Épaisseur de la zone de déplétion :
L’épaisseur de la zone de charge dépend de la concentration des
impuretés (donneurs où accepteurs) et de la barrière de potentielle.
a
r
0 d
n p
a d
N + N
2ε ε Φ
W=W +W =
e N N
 
 
 
 
Avec :
Wn et Wp : les épaisseurs de la zone de charge dans les régions n et p.
Ф : Tension de diffusion.
Na et Nd : concentration des impuretés donneurs et accepteurs.
ε0: La constante diélectrique dans le vide.
εr: La constante diélectrique relative du semi-conducteur.
10

13. Spectroscopie de l’électroluminescence
Alimentation
Echantillon
Cryostat
Lentille
convergente
Monochromateur
Jarrell Ash 1 m
Détecteur
RCAC 31034 Préamplificateur
Convertisseur
Analogique/Numérique
IBM PC
ħω (eV)
EL
(u.a)
Sortie
Entrée
Amplificateur
ORTEC 9301
Schéma du montage de l'électroluminescence en fonction de l'énergie du photon
11

14. Résultats expérimentaux Si
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
0
400
800
1200
1600
Id
=25mA; Vd
=0.84V
Polarisation directe
T=307 K
EL
(u.a)
Energie du photon (eV)
PNP
NPN
(a)
Spectre d’EL de la jonction E-B (NPN) et (PNP) à
base de Si à 307K en fonction de l’énergie du
photon pour la polarisation directe (25mA,
0.84V). Notons que la structure (a) se produit à
1.0923 eV, NI signifie, n’est pas irradié.
0,8 1,2 1,6
0
20
40
60
80
(b2)
Polarisation inverse
10 mA
T=307 K
EL
(u.a)
Energie du photon (eV)
NPN
PNP
(c)
(b)
(b1)
Spectre EL de la jonction E-B (PNP) et (NPN) en
inverse (10 mA, 8.05 V) en fonction de l’énergie
du photon à 307 K. les spectres montrent deux
structures (b) et (c). La déconvolution Gaussienne
de (b) montre deux sous structures, (b1) et (b2)
situées à 0.8064 eV et 0.9917 eV respectivement.
(c) est située à 1.6243 eV
L’émission visible est indépendante de la nature de la jonction
12

15. Polarisation en Direct
0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
0
500
1000
1500
EL
(a.u)
Photon Energy (eV)
307K
101K
29K
NI Sample
IFB =25mA
(a)
1,5 1,6 1,7 1,8
0
20
40
60
80
EL
(u.a)
Energie du photon (eV)
(c)
T=29K
T=61K
T=101K
T=152K
T=201K
T=307K
Polarisation en inverse
L’intensité d’EL de la structure (a) en
fonction de l’énergie du photon émis.
L’effet de la température est inclus.
L’échantillon est non irradié
L’intensité d’EL en fonction de l’énergie du photon
des jonctions émetteur-base de Si à différentes
températures. L’échantillon est non irradié.
la température n’a pas d’effet sur la couleur d’émission visible
Résultats expérimentaux Si: Effet de la température
13

16. Résultats expérimentaux Si: Effet du courant
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
0
400
800
1200
1600
2000
Echantillon NI
T=307 K
polarisation en direct
EL
(au)
Energie (eV)
30mA
25mA
10mA
5mA
1mA
(a)
0,8 1,2 1,6 2,0
0
20
40
60
80
EL
(au)
Energie (eV)
100mA
50mA
10mA
Polarisation en inverse
T=307 K
NI
(b)
(c)
Spectre d’EL à 307K des jonctions E-B à
base de si non irradiées, polarisées en
direct en fonction de l’énergie. L’effet du
courant est inclus.
spectre d’EL à 307 K des jonctions E-B à base de
si non irradiées en avalanche en fonction de
l’énergie pour différentes valeurs du courant
injecté.
La lumière visible est indépendante du
courant injecté contrairement à l’émission
infrarouge
14

17. Résultats expérimentaux Si: Effet de l’irradiation
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
0
400
800
1200
1600
Polarisation
directe
25mA
T=307K
EL
(a.u)
Photon energie (eV)
NI
5.108
p.cm-2
5.1010
p.cm-2
5.1012
p.cm-2
5.1013
p.cm-2
(a)
0,8 1,2 1,6 2,0
0
100
200
300
400
Polarisation en inverse
non irradié (NI)
5,3 .10
8
p.cm
-2
5.10
10
p.cm
-2
5.10
11
p.cm
-2
5.10
12
p.cm
-2
(b)
Iinv
= 50 mA
T = 307 K
Intensité
d'EL
(u.a)
Energie (eV)
(c)
Spectre d’EL de la jonction E-B (NPN)
à base de Si à 307K en fonction de
l’énergie du photon pour la polarisation
directe (25mA, 0.84V). L’effet
l’irradiation aux protons de 1 MeV et
inclus.
Spectre d’EL de la jonction E-B
(NPN) à base de Si à 307K en
fonction de l’énergie du photon pour
la polarisation inverse (25mA,
0.84V). L’effet l’irradiation aux
protons de 1 MeV et inclus.
La lumière visible est indépendante de
l’irradiation contrairement à l’émission infrarouge
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18. Intensité de l’émission augmente
quand le courant d’injection augmente
Intensité de l’émission diminue
qd la dose de l’irradiation augmente
Energie de l’émission diminue
qd Température augmente
Polarisation en mode direct
Emission Infrarouge d’énergie
de l’ordre du gap du Si
Emision due à la recombinaison électron de la BC à
un trou de la BV
- Transition interbande
Résultats Discussion des résultats expérimentaux Si
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19. Emission Infrarouge dépend de:
- Température d’acquisition.
- Dose d’irradiation.
- Densité du courant d’injection
Polarisation en mode inverse
Emission du visible ne dépend:
-ni de la température
-ni de la dose d’irradiation.
- ni de la densité du courant
Emission due à la recombinaison
électron de la BC à un trou de laBV
- Transition interbande
Energie l’émission bien plus
grande de celle du Gap de Si
Emission impliquant un seul type
de porteur: é-é ou Trou-Trou
- Transition intrabande
Résultats Discussion des résultats expérimentaux Si
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20. Conclusion :
les mesures d’électroluminescences montrer que lumière
émise par la diode de Silicium polarisée en mode directe
correspond à une transition inter-bande alors que la
lumière visible émise par cette dernière lorsqu’elle est
polarise en inverse correspond à une transition intra-bande.
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