Physique des composants à semi-conducteur : TD et examens
Présentation générale du document
Ce document académique regroupe les travaux dirigés et des épreuves de devoirs surveillés en micro-électronique et physique des composants à semi-conducteur. Conçu pour les étudiants de deuxième année, il émane du Département Micro-électronique et télécommunications de l'École Polytechnique Universitaire de Marseille, en collaboration avec le Laboratoire Matériaux et Micro-électronique de Provence (L2MP). Rédigé sous la direction de Pascal Masson et Rachid Bouchakour pour l'année universitaire 2006/2007, il offre un parcours structuré à travers l'étude physique des dispositifs à semi-conducteurs fondamentaux.
Structure et grands thèmes abordés
Le contenu s'articule autour de quatre grands chapitres de travaux dirigés suivis de plusieurs sujets d'examens (devoirs surveillés) des années précédentes. Chaque partie aborde les lois physiques fondamentales qui régissent le comportement des porteurs de charge et le fonctionnement des composants électroniques de base.
La jonction PN
Le premier chapitre se consacre à l'étude de la jonction PN, depuis l'équilibre thermodynamique jusqu'aux régimes hors équilibre. Les exercices permettent d'analyser la densité des porteurs, le champ électrique interne, la barrière de potentiel, ainsi que la zone de charge d'espace (ZCE). Les aspects statiques et dynamiques, incluant les petits et grands signaux, sont également explorés pour comprendre le comportement des diodes en régime direct et inverse.
La capacité MOS
Le deuxième module s'intéresse en détail à la structure métal-oxyde-semiconducteur (MOS). Les étudiants y étudient les différents régimes de fonctionnement, à savoir l'accumulation, la désertion, l'inversion faible et l'inversion forte. L'analyse théorique et graphique des courbes de capacité en fonction de la tension (C-V) permet de déterminer des paramètres clés tels que la tension de seuil, la tension de bandes plates, l'épaisseur de l'oxyde et la concentration en dopants du substrat.
Le transistor MOSFET
Le troisième chapitre aborde le transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, en se focalisant principalement sur les structures à canal n. Les exercices guident l'analyse du fonctionnement général, des régimes ohmique et de saturation, de l'expression du courant de drain, ainsi que des effets de la polarisation de substrat et de la réduction de la mobilité. Des aspects liés à la caractérisation électrique et aux résistances d'accès sont aussi mis en pratique.
Le transistor bipolaire
La dernière partie des travaux dirigés est consacrée au transistor bipolaire, en particulier de type PNP. Les questions portent sur l'étendue des zones de charge d'espace, le calcul de la longueur physique de la base, les composantes du courant de base liées à la recombinaison et à l'injection, ainsi que les phénomènes d'avalanche et les performances dynamiques via la capacité de diffusion et la fréquence de coupure.
Sujets d'examens et annales
Le document intègre plusieurs sujets de devoirs surveillés de micro-électronique datant des années 2001 à 2006. Ces épreuves constituent un entraînement concret permettant d'appliquer les notions théoriques à des cas pratiques, qu'il s'agisse de semi-conducteurs non-homogènes, de diodes courtes, de capacités MOS compensées en surface ou de mémoires non-volatiles de type MNOS. Les étudiants disposent ainsi d'un ensemble d'exercices complets pour évaluer leurs compétences et se préparer aux évaluations universitaires.
Questions fréquentes
À quel niveau d'études ce document s'adresse-t-il ?
Ce document est destiné aux étudiants en deuxième année du département micro-électronique et télécommunications de l'École Polytechnique Universitaire de Marseille.
Quels sont les principaux composants étudiés dans les travaux dirigés ?
Les exercices couvrent la jonction PN, la capacité MOS, le transistor MOSFET à canal n et le transistor bipolaire PNP.
Trouve-t-on des sujets d'examens corrigés ou non dans ce polycopié ?
Le document propose les énoncés de plusieurs devoirs surveillés de micro-électronique des années 2001/2002, 2002/2003, 2003/2004 et 2005/2006, accompagnés des chapitres de travaux dirigés correspondants.
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