Identifier les semi-conducteurs qui répondent le mieux à ces critères. 1. La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur : le diagramme E (énergie) - k (nombre d'onde). Bonjour à tous, Je recherche des informations sur les semi-conducteurs concernant le calcul de l'énergie de gap en fonction : - De la longueur de maille du réseau. -Le semi-conducteur de type N (Négatif).Le principe est le même que pour le semi conducteur de type P, sauf qu’on dope le cristal avec des éléments ayant un électron de valence de plus (atomes donneurs) : le phosphore, l’arsenic et l’antimoine, qui possèdent 5 électrons de valence pourront doper le silicium par exemple. Dans les diagrammes de bande d'énergie ci-dessus d'un semi-conducteur. Par exemple, l’atome de silicium possède 4 électrons sur sa couche périphérique car il appartient à la 4° colonne de la classification périodique des éléments indiquée ci-dessous. En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre atomes voisins). - De la longueur d'onde associée. B. émission de radiation (un photon) dont l’énergie équivaut à la bande interdite. bande de valence). Les métaux et les semi- métaux sont des matériaux à rupture de l'énergie, et les substances dans lesquelles ils dépassent 3 eV sont appelés isolateurs. Les traits figurent les électrons de valence. On utilise deux types d’impuretés : Bonjour à tous, Je recherche des informations sur les semi-conducteurs concernant le calcul de l'énergie de gap en fonction : - De la longueur de maille du réseau. Le matériau, isolant, devient alors un conducteur sous l'effet de cet énergie. Un semi-conducteur dit intrinsèqueest un isolant dont la valeur du gap est faible. Porteurs de charges dans les milieux semi-conducteurs, électrons libres de conduction de la BC et les trous mobiles de la BV. Le meilleur compromis est obtenu en choisissant des semi-conducteurs ayant un gap compris entre 1 et 1,7 eV. Les métaux et les demi-métaux sont des matériaux sans rupture d'énergie, et les substances dans lesquelles elles dépassent 3 eV sont appelées isolants. Un photon est absorbé par un semi-conducteur quand son énergie est supérieure au gap, sinon il le traverse ; ainsi, ces deux photons d'énergie supérieure au gap peuvent être absorbés. énergie e-semi-conducteur W F W G.1eV gap assez élevé ü To crée qq e-libres valence conduction isolant énergie e-W F gap très élevé ü To crée . Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie des bandes d'énergie. Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie des bandes d'énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande interdite suffisamment petite pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la bande de conduction. Un bon semi-conducteur pour des panneaux photovoltaïques doit avoir une énergie de gap ni trop basse ni trop élevée. ★ Énergie de gap du silicium: Add an external link to your content for free. d'un trou m h) dans le cristal. Mais le m´ecanisme de conduction est diff´erent de celui des m´etaux : Un ´electron promu dans la bande de conduction laisse un trou positif dans la bande de valence. I. Définition d’un semi-conducteur I.1. L’électron dans la BC devient libre. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type La bande inférieure est appelée la bande de valence, quicorrespond aux électrons liés à des sites de réseau spécifiques dans le cristal. énergie e-semi-conducteur W F W G.1eV gap assez élevé ü To crée qq e-libres valence conduction isolant énergie e-W F gap très élevé ü To crée . Rappeler la définition du gap d’un semi-conducteur, son ordre de grandeur, ainsi que la structure de Celle-ci n’est que de quelques dixièmes d’eV dans un tel semi-conducteur. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type Sommaire I. Définition d’un semi-conducteur.....2 I.1. Les zones colorées en rouge représentent les domaines d’énergie effectivement occupés par des électrons. Le terme « semi-conducteur » désigne un composant essentiel intégré à des millions d'appareils électroniques utilisés, entre autres, dans les secteurs de l'éducation, de la recherche, des communications, de la santé, des transports et de l'énergie. Si les électrons libres peuvent servir de porteurs de charges, ce n'est pas le cas des électrons liés. In fine, on cherche à déterminer le taux d’absorption Rd’un tel milieu. Ce dernier a un gap indirect de 1,11 eV. Physique des semi-conducteurs – A Chovet & P. Masso n 10 q C Valeur absolue de la charge de l’électron (1,6×10-19 C) RH m3C-1 Coefficient de Hall Rn,p m-3s-1 Taux de recombinaison des électrons (indice n) et des trous (indice p) T K Température absolue Quand le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence coïncident dans l’espace des k, il s’agit d’un gap direct. Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. 0 e-libres W G >5eV 10 Les bandes d'énergie définies précédemment se peuplent en commençant par les niveaux les plus bas. Pour un semi-conducteur intrinsèque, ces porteurs libres ne proviennent que de transitions électroniques de la bande de valence vers la bande de conduction sous l’effet d’excitations extérieures, optiques ou thermiques par exemple. Doc. µp (eq.5) semi-conducteur intrinsèque: n = p = ni et conductivité intrinsèque σi = e.n i. dans le cadre de la théorie des bandes, associée à l'état cristallin, pour dire qu'un semi­ conducteur est un isolant à faible bande interdite (gap) ; avec « faible », on précise généralement quelques kT (énergie thermique à la température ambiante). Le… aux sommets d’un tétraèdre par une liaison covalente : Ces éléments sont « tétravalent ». Recherche: Silicium Grand-croix de lordre du Soleil Dirigeant du Grand Orient de France Secrétaire général de la présidence du Conseil Bataille navale de la mer du Nord Site de lÂge du bronze Anneau de … Dans un matériau semi-conducteur, ce gap est faible. Synthèse Les photons absorbés par un semi-conducteur permettent de fournir de l'énergie à des électrons qui deviennent conducteurs du courant électrique, en passant dans la bande de conduction. sèque ou intrinsèque (dopé ou non), et, pour le semi-conducteur intrinsèque, son énergie de gap. voisinage d’un minimum de bande d’énergie quand m* peut être définie Calcul de la densité d’états en fonction de l’énergie Calculons le nombre d’états dans une sphère de rayon k: N = volume de la sphère x densité d’état volumique x 2 (spins +1/2 et -1/2) = 4/3 k3 x 1/8 3 x 2 = 1 3 2 2m* h ()E E 0 3/2 7 Energie de gap d'un semiconducteur (trop ancien pour répondre) Jean-Christophe 2010-03-16 13:23:09 UTC. 4. Un faible apport d’énergie fourni par Fig 7 dopage N Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Pour des isolants, il existe une bande interdite entre la bande de conduction et … Chaque atome est lié à 4 voisins placé aux sommets d’un tétraèdre par une liaison covalente : il s’agit d’atone «tétravalent » 6- Les semi-conducteurs purs ou intrinsèques Dans un semi-conducteur pur, le gap est assez faible pour autoriser, à température ambiante, le passage d’un petit nombre d’électrons de la BV dans la BC. Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Dans un cristal de silicium (le plus commun des semi-conducteurs à ce jour), il faut une énergie de 1,12 eV1,12\text{ eV}1,12 eV (soit 1,79×10−19 J1,79\times 10^{-19}\text{ J}1,79×10−19 J) pour placer un électron de valence dans la bande de conduction. Toutefois, leur ´energie de gap est suffisamment faible pour qu’ils soient sensiblement conducteurs aux temp´eratures accessibles dans cette exp´erience. On parle de gap direct lorsque ces deux extremums correspondent au même quasi-moment (quantité de mouvement associée au vecteur d'onde dans la première zone de Brillouin), et de gap indirect lorsque la différence entre les vecteurs d'onde de ces deux extremums est non nulle. Par exemple, un diamant semi-conducteur a une bande interdite de largeur 6 eV, semi-isolant GaAs – 1.5 eV. CB est la bande de conduction et VB est la bande de valence. Figure 1 – Schématisation du diagramme de bandes d’un métal, d’un semi-conducteuretd’unisolant. Il y a des exceptions. La largeur de la bande interdite d'un semi-conducteur est de 0 à 3 eV. Une résistance chauffante est accolée à l’échantillon. C Le principe de la conversion photovoltaïque. On distingue alors les semi-conducteurs petit gap qui ont une bande interdite très inférieure à 1 eV et les semi-conducteurs … Les candidats mesurent alors des propriétés sans pouvoir les comparer à quoi que ce soit. Le terme de gap apparait dans le cadre de la physique des semi-conducteurs lorsqu'on considère la bande de valence et la bande de conduction de ceux-ci. Schéma des bandes d'un semi-conducteur. Le concept de masse effective introduit dans les expressions précédentes permet de traiter les électrons (et les trous) qui sont dans le cristal des particules quasi-libres, comme des quasi-particules libres. Les paires électrons trous créées directement par excitation thermique d’un électron de la bande de valence dans la bande de conduction deviennent prépondérantes. La couche électronique périphérique assure la stabilité de l’atome. Cependant ce type de matériau ayant une énergie de gap plus faible que l'isolant (~1eV), il aura, de par l'agitation thermique (typiquement vers T=300K), une bande de conduction légèrement peuplée d'électrons et une bande de valence légèrement dépeuplée. Dans un atome isolé, l'énergie des électrons ne peut posséder que des valeurs discrètes et bien définies, par contraste au continuum Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. ( µn+µp) semi-conducteur dopé n+: p << p i et n ≈ ND donc σn = e.N D.µn semi-conducteur dopé p+: n< Egap = Éconduction – Evalence), ces électrons quittent leur bande de valence et entrent dans la bande dite de conduction. Dans le cas des conducteurs, il y a un chevauchement entre la bande de valence et la bande de conduction et chaque atome d'un conducteur libère un ou plusieurs électrons libres. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type G. De Lentdecker & K. Hanson Semiconducteurs extrinsèques & dopage 7 ! électronique d’un cristal: bandepermise bandeinterdite Gap Bande de valence: contient les états électroniques des couches périphériques des atomes du cristal (c.-à-d. les e-de valence, 4 pour le Si) Bande de conduction: bande permise immédiatement supérieure en énergie à la bande de valence. 1 Optique dans les semi-conducteurs Dans cette partie, on s’intéresse à l’interaction entre photons, électrons et trous, près du gap du semi-conducteur. La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur: Diagramme E (Energie) - k (Vecteur d'onde). La structure d’un semi-conducteur • Structure diamant - Si ou Ge a = 5.43Å (Si) 5.66Å (Ge) Structure cubique à faces centrées 2 CFC imbriqués, 8 atomes dans une maille. Mais en réalité, les La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur : le diagramme E (énergie) - k (nombre d'onde). Le gap est l'énergie minimum qui doit être apportée au cristal pour qu'un électron de la bande valence (participant aux liaisons entre les atomes) soit libéré dans la bande de conduction. - De la longueur d'onde associée. Les semi-conducteurs Sous l'action d'un champ électrique, les électrons et les trous ont une vitesse de dérive dans un semi-conducteur: R =𝜇 Rℎ=𝜇ℎ R , Rℎ = vitesse de dérive des électrons & des trous (cm.s-1) 𝜇 , 𝜇ℎ = mobilité (cm2.V-1.s ) E= champ électrique (V.cm-1) A 300°K, pour le silicium, 𝜇 Structure cristalline et bandes d’énergie Si Si Si Si Si Si Si Si Si Une structure cristalline est constituée d’un assemblage régulier d’atomes (Figure 1). Le meilleur compromis est obtenu en choisissant des semi-conducteurs ayant un gap compris entre 1 et 1,7 eV. Energie Isolant Conducteur Bande interdite Semi-conducteurs Fig. 1 2 – Semi-conducteurs 2.1 – Structure des semi-conducteurs Fig. 2 Diamant La structure du silicium et du germanium est la même que celle du diamant (cubique Fd3m). 2 Principe général de l’expérience Figure 3: Schéma de l’appareillage expérimental. Synthèse Les photons absorbés par un semi-conducteur permettent de fournir de l'énergie à des électrons qui deviennent conducteurs du courant électrique, en passant dans la bande de conduction. On conclut sur la nature électrique du matériau en fonction de la valeur énergétique du gap ou de la bande interdite (BI) : Si E_{gap} =0 eV, alors le matériau est un conducteur. µn + e.p. Nous allons la présenter sous une forme vulgarisée et particulièrement simplifiée. II) [1P] Variation de la conductivité d’un semiconducteur avec la température L’observation, à température ordinaire, de la conduction intrinsèque requiert un semiconducteur non dopé. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type l’antimoine, le bismuth (colonne V de la classification périodique) qui conduisent à un semi conducteur dopé de type N. La substitution d’un atome de silicium par un atome de phosphore entraine l’existence d’un électron en excès pour assurer la liaison avec les atomes voisins. Là où le… M18 : Semi-Conducteurs Ra p p o rt d u j u ry : La variété des matériaux semi-conducteurs fait qu'il est parfois difficile de savoir quel est le matériau utilisé dans un composant commercial, ou quel est le dopage dans certaines plaquettes. Le matériau devient alors conducteur électrique. Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. m v) vaut la masse effective d'un l'électron m e (resp. La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur: Diagramme E (Énergie) - k (Vecteur d'onde). La position du niveau de Fermi à T = 0 K est aussi représentée ou isolant . Ils mettent en commun des électrons de leur couche périphérique pour constituer des liaisons covalentes. Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Pour résumer simplement, cette théorie dit que les électrons dans un solide peuvent être dans deux états : soit ils sont fortement liés aux atomes, soit ce sont des électrons libres. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. La bande de valence correspond à la bande d'énergie la plus élevée entièrement remplie d'électrons. 2 Méthodologie La température des deux semi-conducteurs est contrôlée par un module à effet Peltier, et la température est mesurée grâce à une sonde de Platine. Activité 3 : De l’atome aux matériaux semi-conducteurs Les premiers effets photoéletriques, ’est -à-dire la prodution d’életriité à partir de matériaux asorant la lumière, ont été observés dès le XIX ème sièle. Dans un semi-conducteur à base de silicium, « l’énergie de gap » Eg est égale à 1,12 électronvolt à une température de 300 kelvins. Maintenant, il n'est pas exclu qu'une apport d'énergie fasse passer un électron quelconque (non liant) dans la couche de conduction même si cette couche était vide. Activité 3 : De l’atome aux matériaux semi-conducteurs Les premiers effets photoéletriques, ’est -à-dire la prodution d’életriité à partir de matériaux asorant la lumière, ont été observés dès le XIX ème sièle. La théorie des bandes appliquée aux semi-conducteurs amène à considérer unebande de valence entièrement pleine qui est une énergie supérieure à celle du gap du silicium. fondamentale des semi-conducteurs. La position du niveau de Fermi à T = 0 K est aussi représentée ou isolant . Le germanium, moins utilisé, a également un gap indirect, de 0,66 eV. La polarisation de cette jonction par une source de tension extérieure montre un comportement dissymétrique qui est à l’origine de la première grande application des semi-conducteurs dopés : la diode à jonction. De la physique quantique aux semi-conducteurs 1.Comment explique-t-on que le spectre d’émission d’un atome soit constitué de raies? On attend donc un comportement proche de l’isolant, mais avec une meilleure conductivité. En physique des semi-conducteurs, on appelle gap la largeur de la bande interdite, laquelle est l'intervalle d'énergies situé entre l'état de plus basse énergie de la bande de conduction et l'état de plus haute énergie de la bande de valence. Si E_{gap} \leqslant 1 eV, alors le matériau est un semi-conducteur. I.7. Ces matériaux étant utilisés depuis longtemps, ils ont défini une valeur de référence pour le gap, de l’ordre de 1 eV. Il a fallu attendre l’arrivée de la physique quantique au déut du XX siècle pour pouvoir les expliquer. Energie de gap d'un semiconducteur (trop ancien pour répondre) Jean-Christophe 2010-03-16 13:23:09 UTC. Pour cela, on mesure la conductivité du matériau en fonction de sa température. Par exemple, un diamant semi-conducteur a une bande interdite de largeur 6 eV, GaAs semi-isolant - 1,5 eV. Il a fallu attendre l’arrivée de la physique quantique au déut du XX siècle pour pouvoir les expliquer. Si on apporte cette énergie aux électrons, certains pourront passer dans la bande de conduction et circuler dans le matériau. Permalink. La figure I.2 présente les différentes transitions possibles selon la nature du gap. L’industrie fabrique les semi-conducteurs avec un haut degré de pureté (moins de 1 atome étranger pour 1011 atomes de semi-conducteur) : on parle alors de semi-conducteur intrinsèque. Dans le cas des semi-conducteurs, l'énergie de gap modérée ( 1 eV et variable d'un matériau à l'autre) rend plus probable le transfert d'électrons de la bande de valence vers la bande de conduction par un apport énergétique (d'origine thermique, optique, électrique) raisonnable. Le semi-conducteur a la particularité de se comporter comme un conducteur lorsqu'il y a interaction du rayonnement et comme un isolant lorsqu'il n'y a pas interaction. Dans un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...), comme dans un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....), ces deux bandes sont séparées par une bande interdite, appelée couramment « gap ». Valence (BV) et la Bande de Conduction (BC), séparées par un Gap en énergie inaccessible aux électrons. • Pour les semi-conducteurs, la bande de valence et la bande de conduction sont séparées par un gap plus faible, compris entre 0,5 et 4 eV, mais le plus souvent voisin de 1 eV. L’industrie fabrique les semi-conducteurs avec un haut degré de pureté (moins de 1 atome étranger pour 1011 atomes de semi-conducteur) : on parle alors de semi-conducteur intrinsèque. Elle e Cependant, l'énergie électrique maximale que l'on peut espérer récupérer est égale à celle du gap, soit 2x1,1 = 2,2 eV. Lors de l’expérience, trois échantillons semi‐conducteurs encapsulés (jonctions p‐n de transistors ou Valence (BV) et la Bande de Conduction (BC), séparées par un Gap en énergie inaccessible aux électrons. Le semi-conducteur devient intrinsèque. Un semi-conducteur est un isolant pour une température de 0K. Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. 1.3 STRUCTURE DE BANDE ET NIVEAU DE FERMI Un matériau semi-conducteur se caractérise par sa structure de bande. une énergie supérieure à celle du gap du silicium. La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur : le diagramme E (énergie) - k (nombre d'onde). D’après la physique quantique, un atome ne peut exister que dans certains états d’énergie (on dit que ses états d’énergie sont quantifiés). Si E_{gap} \gt1 eV, alors le matériau est un isolant. Les tensions tendent vers 0 car les impuretés gouverne les échanges de charges. La bande de conduction est définie comme le premier niveau énergétique au dessus de … Dans le cas des semi-conducteurs, l'énergie de gap modérée ( 1 eV et variable d'un matériau à l'autre) rend plus probable le transfert d'électrons de la bande de valence vers la bande de conduction par un apport énergétique (d'origine thermique, optique, électrique) raisonnable. Dans un matériau semi-conducteur, ce gap est faible. Le matériau est normalement isolant mais si l'on transmet à ses électrons de valence une énergie supérieure à celle de son gap, ils peuvent passer de bande de valence à la bande de conduction. Le matériau devient alors conducteur électrique. Elle doit être alimentée sous 6 V et 5 A La igure 3 correspond à une représentation sur un plan de la f structure. Dopage d’un semi-conducteur En incluant des atomes au cristal semi-conducteur, des « impuretés », on réalise un dopage: → Si ces atomes comportent plus d’électrons sur leur couche de valence que ceux du semi-conducteur, les électrons excédentaires forment un état discret juste au dessous de la bande de conduction.
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