Première
partie :
PHYSIQUE DES SEMICONDUCTEURS
I.
Les cristaux
1.
Les cristaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
a.
Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
b.
Les systèmes cristallins compacts et pseudo-compacts . . . . . . . . . . .
. .
c.
Les indices de Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
2.
Les imperfections des cristaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
a.
Défauts de structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
b.
Défauts de composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
II.
Les niveaux énergétiques dans les cristaux
1.
Bandes d'énergies permises dans les cristaux. Densité des niveaux . . . .
.
a.
Les niveaux énergétiques des électrons dans l'atome isolé . . . . . . .
. . .
b.
États énergétiques permis dans un cristal. Bandes . . . . . . . . . . . .
. . . .
c.
Densité des niveaux dans une bande permise . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
2. Éléments
de la physique du solide appliquée aux semiconducteurs . . . . .
a.
L'équation de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
b.
Théorie des métaux, isolants et semiconducteurs . . . . . . . . . . . . .
. . . .
c.
La masse effective de l'électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
d.
Densité des états . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
e.
Isolants, semiconducteurs, métaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
f.
La conductibilité électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
III.
L'occupation des niveaux
1.
La fonction de Fermi - Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
2.
Occupation des niveaux d'une bande permise (qualitatif) . . . . . . . . . .
. . .
a.
Cas des cristaux possédant une bande interdite . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
b.
Cas des métaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
3.
Occupation des niveaux d'une bande permise (quantitatif) . . . . . . . . . .
. .
IV.
Le travail de sortie
1.
Diagramme énergétique des électrons de valence d'un métal . . . . . . .
. . .
2.
L'effet Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
3.
L'émission thermoélectronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
V.
Les semiconducteurs intrinsèques
1.
Semiconducteurs intrinsèques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
2.
Le trou, charge fictive positive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
3.
Niveaux énergétiques permis aux trous. Densité des niveaux.
Concentration des trous. Niveau de Fermi . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
VI.
Conductibilité électrique d'un cristal semiconducteur
1.
Mouvement des électrons et des trous dans un cristal . . . . . . . . . . .
. . . . .
2.
Conductibilité électrique d'un cristal . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
VII.
Les semiconducteurs extrinsèques
1.
Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
2.
Additifs pentavalents. Cristaux N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
3.
Additifs trivalents. Cristaux P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
4.
Énergies d'ionisation des additifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
5.
Position du niveau de Fermi dans les cristaux dopés . . . . . . . . . . . .
. . . .
VIII.
Le potentiel d'un cristal
1.
Niveau de Fermi d'un système à l'équilibre thermodynamique . . . . . . .
. .
2.
Le potentiel du cristal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
IX.
Les mobilités des porteurs
1.
Temps de relaxation et mobilités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
2.
Mobilités des porteurs majoritaires. Mobilités de conduction . . . . . . .
. .
3.
Effets de la température sur les mobilités de conduction . . . . . . . . .
. . . .
4.
Les mobilités de conduction dans les champs intenses . . . . . . . . . . .
. . . .
X.
Équation de neutralité électrique.
Concentration des porteurs dans un
cristal dopé
1. Équation
de neutralité électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
2.
Cristaux pseudo-intrinsèques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
3.
Calcul des concentrations dans un cristal dopé.
Position du niveau de Fermi . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XI.
L'effet Hall
1.
Théorie élémentaire de l'effet Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
2.
Mobilités de Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
XII.
Durée de vie des porteurs. Processus de recombinaisons
1.
Générations et recombinaisons de paires électron-trou . . . . . . . . . .
. . . .
2.
Processus de recombinaisons sons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
3.
Pièges et centres de recombinaisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
4.
Statistique des recombinaisons et générations des porteurs . . . . . . . .
. . .
5.
Durée de vie des porteurs minoritaires dans le cas des faibles injections
6.
Généralisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
a.
Concentration quelconque des pièges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
b.
Injection quelconque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
7.
Sections de capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
8.
Mesure de la durée de vie des porteurs minoritaires . . . . . . . . . . . .
. . . .
9.
Propriétés du silicium contenant de l'or . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
XIII.
Diffusion des porteurs. Équation de continuité
1.
Diffusion des porteurs minoritaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
2. Équation
de continuité des porteurs minoritaires . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
3.
Les courants électriques dans un semiconducteur . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
4.
Exemples d'application de l'équation de continuité . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
XIV.
Champ électrique interne. Relation d'Einstein
1.
Champ électrique interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
2.
Relation d'Einstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
XV.
Les pseudo-niveaux de Fermi
1.
Définition et propriétés des pseudo-niveaux de Fermi . . . . . . . . . .
. . . . .
2.
Expressions des densités de courant dans un semiconducteur . . . . . . . .
. .
VI.
Recombinaisons en surface
1.
Les états de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
2.
La vitesse de recombinaison en surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
3.
Conditions aux limites. Exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
4.
Mesure des durées de vie et des vitesses de recombinaison en surface
VII.
Les semiconducteurs composés
1.
Les semiconducteurs composes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
2.
Composition. Systèmes cristallins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
3.
Préparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
4.
Les liaisons chimiques des semiconducteurs composes . . . . . . . . . . . .
. .
5.
Propriétés électriques des semiconducteurs composés . . . . . . . . . .
. . . . .
Deuxième
partie :
ÉLÉMENTS DE TECHNOLOGIE
I.
Les matériaux
1.
Extraction et purification chimique du germanium et du silicium . . . . . .
.
2.
Purification par fusion de zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
3.
Obtention de monocristaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
II.
L'épitaxie
1.
Intérêt des couches épitaxiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
2.
Méthodes d'épitaxie indirectes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
a.
Réduction du tétrachlorure de silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
b.
Décomposition thermique du silane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
3.
Oxydation d'une couche épitaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
4.
Détermination de l'épaisseur d'une couche épitaxiale . . . . . . . . . .
. . . . . .
III.
Mesure de la résistivité d'un semiconducteur
1.
La méthode des pointes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
2.
La méthode des quatre pointes de Valdes . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
a.
Cas d'une plaque infiniment épaisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
b.
Cas d'une plaque infiniment mince . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
3.
Échantillons de dimensions finies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
4.
Principe du calcul des facteurs correctifs . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
5.
Correction due à l'épaisseur d'une plaque indéfinie . . . . . . . . . . .
. . . . . .
6.
Corrections dans le cas d'une plaque circulaire très mince . . . . . . . .
. . . .
7.
Corrections dans le cas d'une plaque circulaire d'épaisseur quelconque
IV.
Réalisation d'une jonction par la méthode d'alliage
1.
Définition d'une jonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
2.
Les jonctions alliées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
3.
Décapage et protection des jonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
V.
La diffusion
1.
Contingences auxquelles est astreint un processus de diffusion . . . . . . .
.
2.
Diffusion en tube scellé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
3.
Diffusion en tube ouvert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
a.
Étape de dépôt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
b.
Les sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
c.
Étape de redistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
4.
La diffusion pendant la phase de dépôt . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
a.
Les lois de la diffusion (lois de Fick) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
b.
Le coefficient de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
c.
La concentration du diffusant pendant la phase de dépôt . . . . . . . . .
. . .
5.
La redistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
6.
La silice dans les processus de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
7.
La diffusion latérale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
8.
Insuffisances de la théorie élémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
9.
Détermination des caractéristiques d'une couche diffusée . . . . . . . .
. . . .
10.
Redistribution des additifs dans une couche épitaxiale . . . . . . . . . .
. . . .
VI.
Les films d'oxydes et de nitrure de silicium
1.
L'oxydation thermique du silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
2.
Les oxydes déposés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
a.
Méthodes utilisant des décharges électriques . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
b.
Oxydation de SiCl4 et de SiHCl3 . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
c.
Oxydation de SiH4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
d.
Décomposition des organo-oxysilanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
3.
Le nitrure de silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
a.
Pulvérisation réactive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
b.
Réactions thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
4.
Le monoxyde de silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
VII.
La photogravure
1.
Les diffusions localisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
2.
Les 'laques photosensibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
a.
Les types de laques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
b.
Le pelliculage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
c.
L'insolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
3.
Le masque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
4.
Gravure du nitrure de silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
VIII.
L'implantation ionique
1.
Principe de l'implantation ionique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
2.
Principaux résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
IX.
Le proche avenir
Troisième
partie :
LES DIODES
I.
Définitions
1.
Les jonctions abruptes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
II.
Diagramme énergétique. Tension de diffusion.
Zone de charge d'espace
1.
Diagramme énergétique. Tension de diffusion . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
2.
Zone de charge d'espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
III.
Hypothèse de Schokley.
Propriétés de la zone de charge d'espace
1.
Hypothèse de Shockley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
2.
L'équation de Poisson dans la zone de charge d'espace . . . . . . . . . . .
. . .
3.
Le potentiel et le champ électrique dans la zone de charge d'espace . . . .
IV.
Épaisseur de la zone de charge d'espace.
Capacité de diffusion
1.
Épaisseur de la zone de charge d'espace de la jonction non-polarisée . . .
2.
Cas de la jonction polarisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
3.
La capacité de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
V.
Étude qualitative du fonctionnement d'une jonction
VI.
Étude quantitative du fonctionnement d'une jonction
en régime de courants faibles
1.
Hypothèses. Principe du calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
2.
Calcul des concentrations des porteurs minoritaires . . . . . . . . . . . .
. . . . .
3.
Calcul du courant de jonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
VII.
Fonctionnement d'une jonction en régime de courants forts
1.
Les jonctions graduelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
VIII.
Les jonctions diffusées
1.
Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
2.
La zone de charge d'espace. La jonction graduelle linéaire . . . . . . . .
. . .
a.
Zone de charge d'espace d'une jonction diffusée . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
b.
La jonction graduelle linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
3.
Intégration de l'équation de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
4.
La Pension de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
5.
Épaisseur de la zone de charge d'espace . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
6.
Capacité de diffusion de la jonction graduelle linéaire . . . . . . . . .
. . . . . .
7.
Les courants de la jonction graduelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
8.
Durée de vie des porteurs minoritaires dans une jonction diffusée . . . .
. .
IX.
La jonction polarisée et les pseudo-niveaux de Fermi
X.
Les courants de génération et de recombinaison
1.
Existence des courants de génération et de recombinaison . . . . . . . . .
. . .
2.
Calcul du courant de génération et de recombinaison . . . . . . . . . . .
. . . . .
3.
Ordres de grandeurs. Mesures de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
a.
Ordres de grandeur des courants de génération et de recombinaison
b.
Mesures de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
XI.
L'effet Zener et l'effet d'avalanche
1.
La caractéristique inverse des diodes à jonction . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
2.
Le champ électrique dans la zone de charge d'espace d'une jonction . . . .
a.
Jonctions abruptes dissymétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .
b.
Jonctions graduelles linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
3.
L'effet Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
4.
L'effet d'avalanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
5.
Caractéristiques réelles des jonctions au germanium . . . . . . . . . . .
. . . . .
6.
Caractéristique réelles des jonctions diffusées au silicium . . . . . . .
. . . . .
7.
Caractéristiques inverses anormales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
8.
Les diodes dites Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
XII.
Caractéristiques réelles des diodes à jonction
1.
La capacité de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
a.
Jonctions abruptes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
b.
Jonctions diffusées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
2.
La caractéristique courant-tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
a.
La jonction polarisée dans le sens passant . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
b.
La jonction polarisée dans le sens bloquant . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
3.
Effets de la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
a.
Jonctions alliées au germanium. Sens bloquant . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
b.
Sens passant. Diodes au silicium et au germanium . . . . . . . . . . . . . .
. .
XIII.
La jonction en régime de commutation
1.
Hypothèses. Concentration des porteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
2.
Charges stockées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
3.
Temps de recouvrement. Courant inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
4.
Calcul du temps de recouvrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
5.
La phase de blocage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
6.
Fonctionnement en régime sinusoïdal non linéaire . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
INDEX
ALPHABÉTIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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