Descriptif

Dans ce cours, on décline les concepts de base de la physique des semi-conducteurs sur l'exemple d'un petit nombre de composants, qui sont à la fois des composants-clés pour l’industrie (énergie, télécommunications, informatique, défense et sécurité, environnement, médical…) et des systèmes modèles pour la physique fondamentale.

Après une présentation concise et ciblée des propriétés essentielles des semi-conducteurs «technologiques» (silicium et composés III-V), des phénomènes de transport et des propriétés optiques de ces matériaux, on étudiera en particulier :

- la jonction p-n (diode) qui illustre la physique des dispositifs à porteurs  minoritaires et constitue l’élément de base des cellules solaires ;
- le transistor à effet de champ métal/oxyde/semi-conducteur (MOSFET) qui est la brique de base des circuits intégrés numériques complexes ; on présentera également des technologies récentes (3D, FinFets…) ainsi que les FETs à grilles flottantes utilisés dans les mémoires Flash ;
- la LED, diode électroluminescente, et les technologies à base de nitrures qui sont adaptées à l’éclairage et jouent un rôle essentiel pour les économies d’énergie ;
- la diode laser à puits quantiques, élément qui conditionne les performances ultimes des systèmes de télécommunication ;
- les évolutions très récentes ainsi que le futur de la micro- et de la nano-électronique seront analysés à partir de quelques composants quantiques (détecteurs à puits quantiques, laser à cascade quantique).

Contenu du cours :

- Structure de bandes ;
- Semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques ;
- Phénomènes de transport, jonction p-n ;
- Fonction enveloppe : hétérostructures et puits quantiques ;
- Propriétés optiques ;
- Le transistor MOSFET, circuits électroniques de base ;
- La diode électroluminescente et la diode laser.
Des expériences illustratives seront réalisées au début ou à la fin des cours.

Niveau requis : PHY311- Mécanique quantique. Le cours utilisera également des éléments des cours PHY430 - Physique quantique avancée et PHY433 - Physique statistique 1. Toutefois, ce cours n’exigera aucun prérequis, grâce à une mise à niveau spécifique (« Amphi Zéro ») proposée aux élèves qui le souhaitent.

Langue du cours : Français ; un cours en anglais est éventuellement organisé selon les demandes.

Credits ECTS : 4

In the present course, the main concepts of semiconductor physics are presented, taking the example of a selected number of devices which are key components for industrial applications (energy, telecommunications, computer science, defense and security, environment, medical, etc.) and thus constitute model systems for fundamental physics.

After a concise and focused presentation of the main properties of "technological" semiconductors (silicon and III-V semiconductor compounds), of transport phenomena, and of optical properties of these materials, the following topics will be presented:

- the p-n junction: the p-n diode illustrates the underlying physics in minority carrier devices and is the core element of solar cells;

- the Metal / Oxide / Semiconductor Field Effect Transistor: the MOSFET is the building block of complex digital integrated circuits and recent technologies (e.g. 3D, FinFet) as well as floating-gate FETs in flash-memory technologies will also be discussed;

- LEDs - light-emitting diodes - and nitride-based emitters that are suitable for lighting and are cornerstones of energy savings;

- the quantum well laser diode, which determines the ultimate performance of telecommunication systems;

Recent evolution as well as the future of micro- and nanoelectronics will be analyzed in the case model of a few quantum devices (quantum well detectors, quantum cascade laser etc.).

Course syllabus:

- Electronic band structure;
- Intrinsic and extrinsic semiconductors;
- Transport phenomena and p-n junctions;
- The envelope function approximation: heterostructures and quantum wells;
- Optical properties;
- MOSFETs and fundamentals of electronic circuits;
- The light-emitting diode and the laser diode.
Illustrative experiments are carried out at the beginning or at the end of each course.

Required level: PHY311 – Quantum mechanics. The course will also use a few elements from PHY430 - Advanced Quantum Physics and PHY433 - Statistical Physics 1. However, it will not require any prerequisites, thanks to an optional crash course ("Amphi Zero").

Language of instruction: French; A supplementary course is possibly given in English upon request.