Cours semi conducteur

1. COURS
SEMICONDUCTEURS
LPH3
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2. PLAN DU
COURS
2023-2024
Chapitre I :Introduction aux matériaux semiconducteurs
Chapitre II : La densité d’états électroniques en énergie dans un semiconducteur
Chapitre III : Distribution des porteurs de charges dans un semiconducteur
à l’équilibre thermodynamique
Chapitre VI : Transport électronique dans un semiconducteur hors équilibre
Chapitre V: La jonction PN
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3. CHAPITRE 1: INTRODUCTION AUX MATÉRIAUX SEMICONDUCTEURS
1.Définition du matériau semiconducteur
2.Différents types de semiconducteurs
3.Semiconducteur à l'état solide
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4. 1.Définition du matériau semiconducteur(SC)
Transistor (Bardeen, Brattain et Shockley en 1947) technologie des semi-
conducteurs (SC)
L'intégration circuits et puces (microélectronique), les dispositifs à semi-
conducteurs sont indispensables dans différents domaines de la vie. L'ordinateur
est en majeure partie à base de semi-conducteurs.
Définition du semiconducteur : matériau inorganique ou organique, naturel ou
synthétique dont la conduction est généralement contrôlable par la composition
chimique, la température, la lumière et le dopage. Théorie des bandes
semi-conducteur bande interdite généralement de l'ordre de l’électron-
volt (< 4eV).
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Conductivité électrique des SC : comprise entre celle d'un métal et d’un isolant.
Domaines d’application des SC : résistances thermique, photorésistance, diodes, transistors,
cellules solaires, diodes électroluminescentes, lasers…

6. 2.Différents types de semiconducteurs
Semiconducteurs usuels
- Le silicium est le semiconducteur le plus connu technologiquement le plus maîtrisé et le
plus abondant dans la nature.
- À côté du silicium, le germanium est aussi important et les deux semi-conducteurs sont
souvent utilisés en tant que prototypes de semi-conducteurs le premier en tant que SC à
gap indirect et le second à gap direct.
- Ces SC appartiennent à la colonne IV du tableau périodique ils cristallisent dans la
structure Diamant dite Blend de zinc.
- Les atomes dans ces structures établissent quatre liaisons de covalence où chaque
atome est entouré par quatre voisins décrivant un tétraèdre régulier.
- Les SC peuvent être binaires et faire des liaisons polaires
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7. Les semiconducteurs composés d’éléments simples appartiennent usuellement à la colonne IV du tableau périodique
(Si, Ge, ...) mais aussi certains éléments du groupe V et VI sont aussi des semiconducteurs tels que le phosphore (P),
sulfure (S), sélénium (Se) et tellure (Te)
Semiconducteurs usuels
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8. 2. Différents types de semiconducteurs
Composés Binaires
Les composés binaires II-VI (ZnS) dont l'ionicité devient encore plus grande et plus
importante que les composés III-V.
La plupart des semi-conducteurs composés II-VI ont des bandes interdites supérieures à 1 eV.
utilises pour les écrans et les lasers et les détecteurs infrarouges
Composés semiconducteurs
ternaires : InGaAs
et quaternaires : InGaAsP 8

9. 2. Différents types de semiconducteurs: Semiconducteurs composés
Composés Binaires
• Formés à partir d'éléments des groupes III etV du tableau périodique (GaAs)
• Propriétés très similaires au semiconducteurs élémentaires du groupe IV.
• Liaison dans les composés III-V est en partie ionique en raison du transfert de charge
électronique du groupe III à l'atome du groupeV. Ce qui induit des changements
considérables des propriétés des semi-conducteurs.
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10. SEMICONDUCTEURS COMPOSÉS: COVELENTS ET POLAIRES
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11. Semiconducteurs composés:
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12. 2. Différents types de semiconducteurs
Les semiconducteurs peuvent être des:
Oxides :(Oxide de Zinc ZnO, Oxyde de Cuivre I Cu2O, Dioxyde de
Titanium TiO2),
Composés organiques : (Tetracène C18H12, Fullerène)
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13. 2. Différents types de semiconducteurs
Semiconducteurs en couches
Certains semi-conducteurs tels que l'iodure de plomb (PbI2), le bisulfure de molybdène
(MoS2) et le séléniure de gallium (GaSe) sont caractérisés par leur structure cristalline en
couches ou lamellaires liées entre ells par des liaisons covalentes et beaucoup plus fort que les
liaisons Van der Waals. Ce qui rend ces semi-conducteurs intéressants par le comportement
quasi bidimensionnel des électrons dans les couches. En outre, l'interaction entre les couches
peut être modifiée en incorporant des atomes étrangers entre les couches dans un processus
connu sous le nom d’intercalation.
Effet d'intercalation d'atomes dans les semiconducteurs en couches?
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14. Certains physiciens s’intéressent à de nouveaux
matériaux bidimensionnels (2D) très prometteurs : il
s’agit de couches d’épaisseur d’un ou de quelques
atomes seulement.Le graphite C et le disulfure de
molybdène MoS2 sont deux exemples de matériaux
lamellaires dits deVan derWaals dans une direction et
des forces de liaison covalente intra-couchedans la
direction perpendicilaire.Les liaison deVan der Walls
sont facillement separees par differentes techniques en
monocouche puis déposees sur un substrat.Certains
allotropes de ces materiaux peuvent avoir un
comportement semiconducteur.
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15. 2. Différents types de semiconducteurs
Semiconducteurs Organiques
La plupart des matériaux organiques sont isolants. Selon les valeurs de la résistivité, de la permittivité ces matériaux
seront utilisés en tant qu’isolants, condensateurs ou pour la protection contre les hautes tensions. Parmi les semi-
conducteurs organiques on cite le polyacétylène [(CH2)n] et le polydiacetylene, le fullérène, les nanotubes de
carbone (des feuilles de carbone enroulées )... Les semiconducteurs organiques sont utilisés en électronique
organique en tant que transistors et dans le domaine de l'optoélectronique (diodes
électroluminescentes organiques (OLED, Organic Light Emitting Diode) permettant la fabrication d’écrans
d'affichage ou dans les cellules photovoltaiques. L’ avantage des semiconducteurs organiques sur inorganiques est
que leurs proprietiés sont facilement adaptées et modifiées selon l’application. Par exemple, les composés contenant
des liaisons conjuguées tels que –C=C–C= sont non-linéares optiquement et utilisés en opto-électronique. Energie
de gap de ces composés est facilement modifiée pour s'adapter à l'application en changeant leurs formules
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16. 2. Différents types de semiconducteurs
Semiconducteurs Magnétiques
Certains semiconducteurs contenant des ions magnétiques (l'europium Eu, le manganese Mn),
ont des propriétés semi-conductrices et magnétiques intéressantes telles que le
ferromagnétisme et antiferromagnétisme. On appelle semi-conducteurs magnétiques dilués des
semiconducteurs dont la concentration d’ éléments magnétiques est faible. Grace aux effets
magnétooptiques, ces matériaux peuvent être utilisés comme modulateurs optiques. Les
pérovskites de type Mn0.7Ca0.3O3 subissent des transitions qui dépendent fortement du
champ magnétique, donnant lieu au phénomène de magnétorésistance colossale (CMR)
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17. 2. Différents types de semiconducteurs
Les Oxydes
• Certains oxydes sont semi-conducteurs bien connus. Oxides de cuivre 2 et 1 (CuO et Cu2O)
Oxide de zinc (ZnO), le dioxide de titane (TiO2), qui ont trouvés leurs applications en tant que
collecteurs de charge dans les heterostructures, photocathode (surface conçue pour convertir
la lumière (photons) en électrons en utilisant l'effet photoélectrique), transducteur ou utilize
dans les rubans adhésifs chirurgicals
• Le semiconducteur cuivre de lanthane (La2CuO4) est le premier supraconducteurs à haute
temperature critiqueTc (164K) de gap d'environ 2 eV.
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18. - Les semiconducteurs peuvent être
monocristallin, polycristallins ou amorphes
- Les atomes dans ces SC cristallisent dans différents
structures crystallines : Diamant (zinc-blend),
monoclinique ou trigonal…
3. Semiconducteur à l'état solide
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19. Par des considérations de translations, les 7 systèmes cristallins donnent lieu a
14 réseaux de Bravais sont :
- cubique simple, cubique centré et cubique faces centrées,
- tétragonal simple, tétragonal centré,
- orthorhombique simple, orthorhombique centré, orthorhombique faces
centrées, orthorhombique à deux faces centrées,
- trigonal et trigonal hexagonal,
- monoclinique, monoclinique à deux faces centrées,
- triclinique
Réseaux de Bravais
3. Semiconducteurs à l’ état cristallins:
En tenant compte des symétries du motif : 230 groupes
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20. Un SC peut être amorphe ou
ayant une structure cristalline.
Il cristallise sous une structure
appartenant à l’un des 14
réseaux de Bravais.
Un cristal est un arrangement
périodique d’atomes vérifiant
certaines opérations de
symétries qui sont l’inversion,
la rotation, la réflexion
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3. Semiconducteur à l'état solide

21. Structure Diamant dite
zinc-blend: 2 structures
cubiques faces
centrées décalée de ¼
suivant la première
diagonale. L’atome se
trouvant sur la première
diagonale est relié 4
proches voisins
constituant le tétraèdre.
Que se cache-t-il derrière la pénurie de semi-conducteurs ?
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22. Zone de Brillouin pour une structure zinc-blende.
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23. 23

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26. Thèmes de recherche sur les Semiconducteurs et Cellules
Photovoltaiques
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27. Références bibliographiques
• Physique des Semiconducteurs: Cours et applications; Saïd BELGACEM Narjess BEN BRAHIM
• C. Kittel, « physique de l’état solide », dunod université, 5° ed., 1983
• H. Mathieu, « Physique des semiconducteurs et des composants électroniques », dunod, 5° ed., 2004
• ANNE LABOURET • PASCAL CUMUNEL. JEAN-PAUL BRAUN • BENJAMIN FARAGGI. Cellules solaires Les
bases de l’énergie photovoltaïque. Dunod, Paris, 1998, 2001, 2005, 2010
© ETSF, Paris, 1995, pour la première édition. ISBN 978-2-10-055598-7
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