Composants à semiconducteurs
De la physique du solide aux transistors.

Sommaire et contenu du livre "Composants à semiconducteurs - De la physique du solide aux transistors."

TABLE DES MATIERES CHAPITRE 1 : ELEMENTS DE CRISTALLOGRAPHIE 1-Introduction aux réseaux cristallins 2-Réseaux cristallins 2.1 Le cristal 2 2.2 Rangée, nœud, maille, indices de Miller 3 3-Réseau réciproque 4 4-Zone de Brillouin 5 5-Diffraction dans un cristal 6 6-Représentation du cristal de silicium 7 Exercices du chapitre 1 Il Réponses aux exercices du chapitre 1 12 CHAPITRE Il : ELECTRONS DANS UN CRISTAL 1-Potentiel d'un électron dans un cristal 13 2-Modèle de l'électron libre dans un cristal. Modèle de Sommerfeld 14 3-Modèle de l'électron quasi-libre dans un cristal 15 3.1. Considération sur la forme du potentiel 15 3.2. Considération sur la fonction d'onde 15 3.3 Méthode de calcul 15 3.4 Résolution simplifiée dans le cas d'une perturbation de potentiel 17 4-Conclusion sur les diagrammes d'énergie 4.1 Diagramme des phases d'un cristal réel 19 4.2 Gap direct et gap indirect 20 4.3 Remplissage des bandes d'énergie 21 Exercices du chapitre Il 22 Réponses aux exercices du chapitre Il 23 CHAPITRE III : NOTIONS DE STATISTIQUE. SYSTEMES DE PARTICULES 1-Pression et énergie d'une molécule dans un gaz parfait 1.1 Introduction à la notion de statistique 25 1.2 Calcul de la pression 25 1.3 Energie cinétique moyenne 27 2-Distribution d'énergie des molécules dans un gaz parfait 2.1 Probabilité des collisions 27 2.2 Calcul du facteur universel, P 29 3-Distribution de Maxwell 3.1 Distribution maxwellienne des vitesses 30 3.2 Distribution des énergies 30 3.3 Conclusion 32 4 -Fonction de distribution de Fermi-Dirac 4.1 Statistique de Fermi-Dirac 32 4.2 Distribution de Fermi-Dirac 35 4.3 Allure de la fonction de Fermi-Dirac 36 Exercices du chapitre III 38 Réponses aux exercices du chapitre III 39 CHAPITRE IV : INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DU SEMICONDUCTEUR 1-Bandes d'énergie 1.1 Semiconducteur parfait à T=OK 40 1.2 Statistique de remplissage des niveaux d'énergie 41 1.3 Semiconducteur à une température T:;tO 44 2-Porteurs de charge 2.1 Notion de trous 45 2.2 Masse effective des porteurs de charge 46 2.3 Concentrations des porteurs quasi-libres dans les bandes d'énergie. Densités d'états électroniques 48 2.4 Concentration intrinsèque et niveau de Fermi à l'équilibre thermodynamique 51 3-Semiconducteur extrinsèque 3.1 Notion de dopage 54 3.2 Concentration des porteurs quasi-libres dans un semiconducteur dopé 55 3.3 Position du niveau de Fermi -Diagrammes d'énergie 59 4-Génération -recombinaison -Durée de vie des porteurs 4.1 Génération-recombinaison thermique 63 4.2 Génération-lumineuse 63 4.3 Recombinaison radiatives 63 4.4 Niveaux pièges dans un semiconducteur 63 4.5 Résultats de la théorie simplifiée de Shockley-Read-Hall 64 4.6 Recombinaison Auger 66 4.7 Durée de vie totale 66 Exercices du chapitre IV 68 Réponses aux exercices du chapitre IV 69 CHAPITRE V : PHENOMENES DE TRANSPORT 1-Conductivité -Dérive dans un champ électrique 1.1 Mobilité -Conductivité 71 1.2 Densité totale de courant de dérive dans un champ électrique. Résistivité 74 2-Diffusion des porteurs 2.1 Loi de Fick. Coefficient de diffusion 75 2.2 Densités de courant de diffusion 76 . 3 -Densités de courant totales dans un semiconducteur 77 4-Relation d'Einstein 77 5-Equations de continuité 78 6-Equation de Poisson 79 7-Densités de courant généralisées 80 8-Piézo-résistance et piézo-électricité 80 8.1 Considération mécanique des matériaux cristallins. Module de Young 81 8.2 Piézo-résistance et piézoélectricité 81 9-Effet Hall 9.1 Analyse de l'effet 82 9.2 Mobilité de Hall 84 10 -Conclusion 84 Exercices du chapitre V 85 Réponses aux exercices du chapitre V 87 CHAPITRE VI : JONCTION PN -DIODES A JONCTION 1-Constitution 1.1 Réalisation physique et définitions 89 1.2 Concentrations et types de porteurs dans la jonction 89 2-Etude de la jonction pn à l'équilibre thermodynamique 2.1 Mouvement de charges au contact 90 2.2 Tension de contact ou tension de diffusion 92 2.3 Diagramme d'énergie 92 2.4 Champ électrique et dimension de la zone de charge d'espace 93 3-Etude de la jonction pn polarisée 3.1 Analyse physique du problème 95 3.2 Polarisation directe et inverse 96 3.3 Profils de concentrations des porteurs -Densités de courant 96 3.4 Effet de la recombinaison: diode courte et diode longue 102 3.5 Caractéristique -Résistance différentielle 107 3.6 Capacité de la jonction 107 3.7 Jonction fortement polarisée en inverse 108 4-Jonctions appliquées aux diodes 4.1 Réalisation physique des diodes 109 4.2 Diodes varicap 109 4.3 Diode tunnel (Esaki) 109 4.4 Photodiodes 110 4.5 Diodes électroluminescentes III Exercices du chapitre VI 113 Réponses aux exercices du chapitre VI 115 CHAPITRE VII : LE TRANSISTOR BIPOLAIRE 1-Constitution 1.1 Réalisation physique et définitions 117 1.2 Profil de dopage 118 1.3 Diagramme d'énergie de la structure à l'équilibre thermodynamique 119 2-Principe de fonctionnement 2.1 Régime de conduction 120 2.2 Diagramme d'énergie en conduction nonnale 120 2.3 Effet transistor. Bilan des injections. Nécessité d'une base courte 121 2.4 Effet des recombinaisons 123 2.5 Bilan des courants 123 2.6 Gain en courant du transistor 125 2.7 Efficacité d'injection 125 2.8 Caractéristique en fonctionnement nonnal 126 3-Effets des recombinaisons 3.1 Recombinaison dans l'émetteur 126 3.2 Recombinaison dans la base -facteur de transport 127 3.3 Effet des recombinaisons sur le gain en base commune 127 3.4 Recombinaisons dans la zone de charge d'espace de la jonction émetteur-base 128 3.5 Conséquences sur les courants; Caractéristiques bas niveau 129 4 -Autres effets et limites pbysiques principales 4.1 Effet de la polarisation collecteur-base: effet Early 130 4.2 Tension de claquage de la jonction collecteur-base 131 4.3 Effet de la forte injection 132 4.4 Effet du dopage de la base et de l'émetteur 134 5 -Schémas équivalents électriques du transistor 5.1 Schéma équivalent en petits signaux basse fréquence 136 5.2 Schéma équivalent en petits signaux haute fréquence 137 5.3 Eléments parasites dans un transistor bipolaire 138 6 -Conclusion 139 Exercices du cbapitre VII 140 Réponses aux exercices du cbapitre VII 142 CHAPITRE VIII: LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A GRILLE ISOLEE. TRANSISTOR MOS 1 -Constitution 1.1 Réalisation physique et définitions 143 1.2 Différents types de structures de base 144 1.3 Symboles des différentes structures de base 145 1.4 Réalisation physique 145 2 -Principe de fonctionnement 2.1 Sans polarisation de grille par rapport au substrat 146 2.2 La grille est polarisée positivement par rapport au substrat 147 2.3 La polarisation de la grille atteint la tension de seuil: VG~V th 147 2.4 Caractéristique IDs(VDs) d'un transistor NMaS normallyoff. 148 3 -Analyse pbysique de la structure métal oxyde semiconducteur idéale 3.1 Diagramme d'énergie à l'équilibre thermodynamique 151 3.2 Régime d'accumulation 151 3.3 Régime de désertion 153 3.4 Régime de faible inversion 153 3.5 Régime de forte inversion 154 3.6 Résolution de ['équation de Poisson 155 3.7 Concentration de charge en surface en fonction de la polarisation de grille 157 3.8 Variation de IjIs en fonction de la polarisation de gril.le 159 3.9 Variation du champ électrique dans la structure MaS 160 3.10 Tension de seuil de la structure MaS 161 3.11 Capacité équivalente de la structure MaS 161 4 -Caractéristique de transistor MOS idéal 4.1 Expression de la charge dans le canal 162 4.2 Calcul du courant 164 4.3 Caractéristique sous le seuil 164 5 -Scbémas équivalents électriques du MOS 5.1 Schéma équivalent en petits signaux basse fréquence 166 5.2 Schéma équivalent en petits signaux haute fréquence 167 5.3 Eléments parasites dans un transistor MaS intégré 167 6 -Défauts cristallins et de surface 6.1 Différents types de défauts 168 6.2 Etats énergétiques 168 6.3 Structures Mas non cristallines 169 6.4 Conclusion 170 Exercices du chapitre VIII 171 Exercices du chapitre VIII 173 CHAPITRE IX : LE TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A JONCTION :TRANSISTORS JFET 1-Constitution 175 2 -Symboles 176 3 -Principe de fonctionnement 3.1 La tension drain-source est maintenue très faible 177 3.2 La tension drain-source polarise en inverse la jonction drain-grille 178 3.3 La tension drain-grille dépasse la tension de pincement 179 3.4 Conclusion sur le comportement 180 4· Modélisation simplifiée de la structure 4.1 La tension drain-source est maintenue très faible: régime linéaire 181 4.2 Caractéristique statique jusqu'au régime de saturation 182 4.3 Pincement et saturation du courant 183 5-Schémas équivalents 5.1 Schéma équivalent en source commune basse fréquence 184 5.2 Schéma équivalent en petits signaux haute fréquence 184 6-Conclusion 185 Exercices du chapitre IX 186 Réponses aux exercices du chapitre IX 187 CHAPITRE X : LA DIODE METAL-SEMICONDUCTEUR: DIODE SCHOTTKY 1-Constitution 189 2-Diagrammes des bandes d'énergie 2.1 Travail de sortie 190 2.2 Affinité électronique 190 2.2 Diagramme d'énergie du contact métal-semiconducteur 191 3-Etude du contact Schottky: zone de charge d'espace 3.1 Zone désertée 193 3.2 Charge totale de la zone de charge d'espace dans le semiconducteur 194 3.3 Capacité de la zone de charge d'espace 195 4 -Effet d'abaissement de barrière: effet Schottky 4.1 Electron dans le vide devant un plan métallique 196 4.2 Abaissement de barrière; effet Schottky 197 5-Transport à travers la jonction 5.1 Considérations générales 198 5.2 Conduction des porteurs majoritaires 200 5.3 Théorie thermoïonique 201 5.4 Théorie de la diffusion 203 5.5 Théorie mixte, thermoïonique-diffusion 204 5.6 Porteurs minoritaires 204 6-Conclusion 20S Exercices du chapitre X 206 Réponses aux exercices du chapitre X 207 Problèmes de synthèse Sujet 1 : Analyse d'une diode intégrée dans une technologie submicronique 209 Sujet 2 : Transistor bipolaire NPN intégré 212 Sujet 3 : Transistor PMOS dans une technologie CMOS submicronique 214 Sujet 4 : NMOS de puissance à canaux verticaux 217 Sujet 5 : Transistor MOS parasite d'un transistor à effet de champ à jonction 220 Réponses aux problèmes de synthèse Sujet de synthèse 1 : 223 Sujet de synthèse 2 : 225 Sujet de synthèse 3 : 227 Sujet de synthèse 4 : 229 Sujet de synthèse 5 : 231 Quelques constantes physiques importantes 233 Tableau de classification périodique des éléments 234 Index 235 Références bibliographiques 239