Théorie de bande des semi-conducteurs
Le modèle de bande est un concept important dans la physique de solide qui peut être employé pour expliquer les propriétés électroniques et optiques des semi-conducteurs. Il est dérivé d’un traitement mécanique de quanta, du comportement des états des électrons lorsqu’un grand nombre d’atomes sont rassemblés pour former un solide. Dans un système simple d’atomes, la théorie quantique suppose que l’énergie de l’électron soit quantifiée dans les états discrets. Quand les atomes forment un solide, les états d’énergie des électrons liés aux différents atomes se rassemblent de telle manière pour former les bandes presque continues des états permis d’énergie. Ces états de bande sont décrits par une fonction dite la densité d’états g(E).
Etat cristallin : La densité des états des semi-conducteurs cristallins est dérivée à partir des principes de la mécanique quantique et en utilisant des simplifications mathématiques dues à la périodicité de la structure cristalline.
Etat amorphe : Un développement quantitatif de la structure électronique des matériaux amorphes est beaucoup plus difficile en raison de l’absence de n’importe quel ordre topologique de longue distance. En fait, la structure désordonnée des semi-conducteurs amorphes a mené beaucoup à croire que le diagramme de bande était énormément différent du diagramme de bande de leur état cristallin. Cependant, il a été découvert que ces solides amorphes possèdent presque les mêmes propriétés électroniques et optiques de base que leurs cristallines [13]. Ainsi, il a été conclu que la présence de l’ordre à courte distance dans la structure atomique est suffisante pour que la théorie de bande puisse être adoptée.
La première mesure semi-quantitative en généralisant un modèle de bande pour les matériaux amorphes a été proposée par N. F. Mott dans les années soixante . En se basant sur la structure électronique des semi-conducteurs cristallins qui possèdent les propriétés générales suivantes: Les différents électrons dans le cristal peuvent être décrits par les fonctions d’ondes prolongées de Bloch qui possèdent l’ordre à longue distance dans l’amplitude et la phase.
Les énergies permises d’électron se situent dans les bandes des états permis qui sont séparées par un espace bien défini des énergies (le gap).
Importance des semi-conducteurs amorphes
Avantages : Parmi les avantages des semi-conducteurs amorphes par rapport à l’état cristallin, on peut citer:
Possibilité de les prépare et les déposer sur de grandes surfaces ; il n’y a plus la limitation de la taille du wafer (utilisation en micro-électronique).
Possibilité de le déposer sur des surfaces non planes ou souples : intéressant à la déposition sur des substrats (ou objets) de formes ondulées, cylindriques ou sphériques (convexe ou concave). Facilité de fabrication et technologie à basse température (<300°C). Ainsi, le coût de revient est plus bas. Forte absorption de la lumière visible. Peu de dégradation par les rayons X. Bande interdite (gap) plus élevée, qui permet d’obtenir de courant inverse plus faible dans l’obscurité.
Inconvénients : Malgré les nombreux avantages des semi-conducteurs amorphes, on peut trouver Faible mobilité des porteurs libres à cause des centres de piégeages. Métastabilité après un éclairement prolongé de la lumière (effet Staebler-Wronski).
Applications : Les multiples avantages des semi-conducteurs amorphes ont ouvert le développement de nouvelles applications principalement dans les technologies qui nécessitent de grandes surfaces (macro-électronique) ou des surfaces non planes. Nous rappelons ci-dessous certaines importantes applications:
La cellule solaire: elle est utilisée le plus souvent dans des alimentations qui nécessitent de petites puissances, ce type de cellule solaire est assez répandu dans les calculatrices, les montres ou les chargeurs de batteries. De tels dispositifs sont réalisés par une structure de diode, la mise en contact de deux couches dopées provoque la création d’un champ électrique.
En comparaison avec les cellules cristallines, la seule différence essentielle d’une cellule amorphe réside dans le fait que les deux zones dopées ne sont pas directement mises en contact, une couche intrinsèque est déposée entre ces deux couches. Les couches dopées amorphes sont mauvaise qualité (beaucoup de défauts), les charges crées dans ces couches ne pourront pas être collectée (car la recombinaison domine). La couche intrinsèque est donc nécessaire afin que les paires électron-trou responsable de l’effet photovoltaïque puissent être collectés .
Les applications de Xérographie : tant pour les photocopieuses que pour les imprimantes laser, le silicium amorphe est actuellement utilisé comme matériau photoconducteur ; il a le grand avantage d’être mécaniquement beaucoup plus résistant que ses concurrents. Dans cette application, la surface photoconductrice sert également de support au Toner, elle devra être mise en contact direct avec la feuille (lors du transfert du Toner) ; l’utilisation d’un matériau beaucoup plus résistant mécanique augmente de façon non négligeable, la durée de vie du dispositif .
Les écrans plats (technologie TFT) : le silicium amorphe est actuellement utilisé de plus en plus dans la confection d’écrans d’ordinateur portable; la possibilité d’utiliser de grandes surfaces, ainsi que la technologie des transistors en couche mince, rend cette dernière application pratique réalisable avec le silicium amorphe .
Microscope acoustique
La microscopie acoustique est une technique de contrôle non destructif qui utilise les ondes ultrasons dans la gamme de fréquence allant du MHz au GHz. Les ondes ultrasonores se propagent dans les matériaux optiquement opaques et leur vitesse est une fonction des propriétés élastiques du milieu. Cette technique se distingue du micro échographie par l’utilisation d’un faisceau focalisé par une lentille sphérique, ce qui lui confère une bonne résolution latérale et longitudinale. Elle se distingue aussi par le type de signal électrique fourni au capteur et traité par la chaîne de mesures de réception . La microscopie acoustique opère selon deux modes complémentaires, imagerie et signature acoustique.
Description de l’appareillage : Le microscope acoustique utilise une lentille convergente, creusée dans un barreau de saphir (ligne à retard), qui permet de créer des ondes réfractées sous divers angles dont l’angle limite dit, angle de Rayleigh. Le faisceau acoustique réfléchi par le matériau à étudier, résulte de la superposition de l’onde qui est réémise normalement, des ondes rayonnantes de Rayleigh et de toutes les autres ondes générées sous incidence comprise entre l’incidence normale et l’incidence sous angle de Rayleigh. Ces dernières, du fait de leur angle d’incidence (sur l’interface eau/échantillon), sont réfléchies totalement, pénètrent dans le saphir, réflexions multiples ou s’atténuent rapidement. En pratique, les ondes réémises, sont l’onde spéculaire normale et les ondes rayonnantes de Rayleigh.
Fonctionnement : Le principe de la microscopie acoustique est basé sur l’utilisation d’une lentille sphérique ou cylindrique, permettant de focaliser les ondes acoustiques. La diminution de la distance défocalisation, ∆z, entre la lentille et la surface de l’objet, provoque des variations périodiques de la tension de sortie V aux bornes du transducteur. Ces variations dans la courbe donne V(z), permettent d’obtenir des renseignements sur la vitesse de propagation des ondes de surface.
Applications de la microscopie acoustique
Elles sont nombreuses et variées dans le secteur du contrôle non destructif des matériaux au sens large nécessitant une résolution du micron au millimètre environ. Selon la demande formulée, l’analyse en microscopie acoustique se fera de manière qualitative (images) ou quantitative (signature acoustique). Les moyens mis en œuvre pour répondre aux problèmes posés seront adaptés pour une utilisation très flexible (fréquence variable, capteurs de différentes ouvertures et focales, traitement spécifique des signaux, etc.). La présentation des différentes applications sera donc effectuée en fonction du domaine d’appartenance du spécimen examiné tel que : (la microélectronique, la métallurgie, les polymères, les matériaux poreux, etc.).
Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Généralité sur les Semi-Conducteurs Amorphes
I-1 Introduction
I-2 Structure atomique
I-3 Théorie de bande des semi-conducteurs
I-3.1 Etat cristallin
I-3.2 Etat amorphea) Modèle de CFOb) Modèle de Mottc) Modèle de Marshall et Owen
I-4 Propriétés optiques
I-5 Méthodes de caractérisation structurale
I-5.1 Rayon XI-5.2 Spectroscopie de XAFS
I-5.3 Méthode microscopique
I-6 Importance de semi-conducteur amorphe
I-6.1 Avantages
I-6.2 Inconvénients
I-6.3 Applications
I-7 Microscope acoustique
I-7.1 Description de l’appareillage
I-7.2 Fonctionnement
I-7.3 Théorie de la signature acoustique
I-7.4 Relation entre paramètres acoustiques et constants élastiques
I-8 Applications de la microscope acoustique
I-9 Conclusion
Chapitre II : Caractérisation Acoustique du Germanium Amorphe
II-1 Introduction
II-2 Propriétés du germanium amorphe
II-2.1 Structure atomique
II-2.2 Propriétés électriques
II-2.3 Propriétés optiques
II-2.4 Rôle de l’hydrogène
II-2.5 Dopage du germanium amorphe
II-3 Méthode d’élaboration
II-3.1 Décharge luminescente
II-3.2 Déposition en phase vapeur sur fil chaud (HWCVD)
II-3.3 Dépôt par évaporation à canon d’électron
II-3.4 Pulvérisation cathodique
II-4 Effets des méthodes de préparation sur les vitesses acoustiques
II-4.1 Détermination des vitesses acoustiques
II-4.2 Conditions de simulation
II-4.3 Détermination du R(θ)
II-4.4 Détermination du V(z)
II-4.5 Analyse spectrale par FFT
II-5 Effets de l’épaisseur du a-Ge déposé sur Si<100>
II-5.1 Effet de l’épaisseur sur R(θ)
II-5.2 Effet de l’épaisseur sur V(z)
II-5.3 Analyse spectrale par FFT
II-5.4 Effets de l’épaisseur sur VR
II-6 Conclusion
Chapitre III : Etude des Propriétés Acoustiques du Germanium et Micro-Germanium
III-1 Introduction
III-2 Propriétés du Ge
III-2.1 Propriétés structurales
III-2.2 Propriétés électriques
a) Diagramme des bandes énergie
b) Mobilité des porteurs
III-3 Méthodes d’élaboration et applications du Ge
III-3.1 Méthode de Czochralski
III-3.2 Méthode de Bridgman
III-3.3 Applications du Ge
III-4 Effets de l’anisotropie sur les paramètres acoustiques du Ge
III-4.1 Détermination des vitesses acoustiques
III-4.2 Effets de l’anisotropie sur R(θ)
III-4.3 Effets de l’anisotropie sur V(z)
III-4.4 Analyse spectrale des V(z)
III-5 Investigations des paramètres acoustiques du µc-Ge
III-5.1 Détermination du R(θ)
III-5.2 Détermination du V(z) et analyse spectrale
III-6 Effets de l’épaisseur des couches de Ge déposé sur SiO2
III-6.1 Effets de l’épaisseur sur R(θ)
III-6.2 Effets de l’épaisseur sur V(z)
III-6.3 Analyse spectrale du V(z)
III-6.4 Effets de l’épaisseur sur VR
III-7 Effets de l’épaisseur des couches de Ge déposé sur Si<100>
III-7.1 Effets de l’épaisseur sur R(θ)
III-7.2 Effets de l’épaisseur sur V(z)
III-7.3 Analyse spectrale par FFT
III-7.4 Effets de l’épaisseur sur VR
III-8 Conclusion
Conclusion Générale
Références Bibliographiques
