Etude des propriétés physiques des semi-conducteurs

Les Semi-conducteurs – Silicium et composés

Le germanium, quant a lui, à été largement utilisé lors de fabrication des premières diodes et des premiers transistors, mais a été ensuite remplacé par le silicium. Il est néanmoins utilisé dans quelques applications (détection infrarouge, hétérostructures, . . .).
On rencontre également des semi-conducteurs dits “élémentaires complexes” comme le sélénium (Se, colonne VI), notamment employé pour ses propriétés photovoltaïques. Cet élément se cristallise selon une structure différente de celle du Si, mais toujours avec des liaisons à prédominance covalente.
Les semi-conducteurs composés : sont constitues de plusieurs éléments. Par exemple, les composés binaires peuvent être constitues de deux éléments distincts de la colonne IV (SiC, SiGe), d’éléments des colonnes III et V (composés III-V tels que le GaAs et le GaN) ou encore des éléments des colonnes II et VI (composés II-VI tels que le ZnS et le CdS). Les composés GaAs, GaP et GaN sont fréquemment utilisé dans la fabrication de diodes électroluminescentes. Enfin, on peut également trouver des alliages de types ternaire (AlGaAs) et quaternaire (GaInAsP), employés par exemple dans la fabrication de diodes lasers.

Le silicium en électronique

La plus grande partie des composants électroniques (cellules solaires, transistors, diodes et puce en général) sont réalisés en Silicium. Le silicium est le matériau de base de 90% de l’industrie micro-électronique.
En effet, il est possible de réaliser des plaques de Silicium monocristallin de très grande pureté et à faible coût.
Le silicium, est le semi-conducteur utilisé dans la quasi-totalité des cellules produites jusqu’à maintenant. Sous trois formes : monocristallin, polycristallin et amorphe.

Différents types du silicium

Le silicium utilisé pour les cellules photovoltaïques doit être d’une grande pureté, quelque soit sa forme. Comme beaucoup d’autres éléments, le silicium peut exister à température ambiante sous différentes structures, dont les deux extrêmes sont respectivement l’état amorphe et l’état cristallin (monocristallin ou multicristallin).

Le silicium monocristallin

La réalisation de nombreux dispositifs commence par la production d’une matière monocristalline de grande pureté. En particulier la fabrication de puces microélectroniques nécessitent des substrats monocristallins semi-conducteurs. La fusion de zone et le tirage en creuset (méthode de Czochralski), sont les deux méthodes utilisées couramment pour obtenir des lingots monocristallins de grande pureté longs de plusieurs mètres et d’un diamètre allant jusqu’à 300mm.
• Le silicium polycristallin
On peut réaliser d’un seul coup un lingot de grandes dimensions par refroidissement directionnel d’une masse de silicium en fusion. Le lingot obtenu est composé de plusieurs gros cristaux, séparés par des joints de grain. Ce matériau, moins homogène que le silicium monocristallin, a de ce fait un rendement énergétique légèrement moins bon dans le commerce, mais sa fabrication est plus facile. Ces lingots de silicium multicristallin doivent être coupés en tranches de 200 à 400 mm.
•Le silicium amorphe
Le silicium amorphe a une structure atomique désordonnée, non cristallisée, vitreuse, mais il possède un coefficient d’absorption de la lumière environ 1000 fois supérieur au silicium cristallin [3]. Une fine couche de 0,3 mm est donc suffisante pour absorber l’essentiel du spectre visible.
Dans cette technologie, le silicium est produit directement sur une plaque de verre à partir du gaz silane SiH4. En fait, les plaques de verre sont placées dans une enceinte chauffée où l’on fait le vide, puis du silane est injecté et décomposé par une décharge radiofréquence; le silicium libéré se dépose alors sur les plaques. La présence d’hydrogène est également nécessaire pour la qualité du matériau (il limite le nombre de défauts en saturant les liaisons pendantes de silicium présentes à cause de la structure désordonnée). L’adjonction des dopants est réalisée par ajout de gaz la phosphine (PH3) ou le diborane B2H6 au silane.
Avec ce type de matériau peu coûteux par rapport aux autres formes de silicium, on a de faibles rendements et des problèmes de stabilité apparaissent rapidement quand on l’expose au soleil et aux intempéries.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: Les semiconducteurs- Silicium et composés III-V
I-1 Isolant, semi-conducteur et conducteur
I-2 Différents types de dopage
I-3 Courants dans les semi-conducteurs
I-4 Semi-conducteurs usuels
I-5 Le Silicium en électronique
I-5-1 Différents types de dopage
I-5-2 Obtention d’un silicium de qualité électronique
I-5-3 Silicium et Rendement des cellules solaires
I-6 Les semi-conducteurs III-V
I-6-1 Les matériaux semi-conducteurs III-V
I-6-2 Les composes III-V
I-6-3 La structure cristallographique des composes III-V
I-6-4 Discontinuité de bandes aux hétérojonctions “offset”∆E
I-6-5 Nature de la bande de conduction du matériau Ga (1-x) Al x C As
I-6-6 Modèle d’Anderson d’une hétérojonction
Chapitre II: La conversion photovoltaïque
II-1 Introduction
II-2 Soleil et son énergie inépuisable
II-3 Nombre de masse (AM)
II-4 Les constituants de base d’une cellule photovoltaïque
II-5 La conversion photovoltaïque
II-6 Cellules photovoltaïques
II-7 Modèle équivalent
II-8 Paramètres essentiels caractérisant une cellule solaire
II-9 Cellule solaire GaAs / GaAlAs
Chapitre III: Logiciel de simulation PC1D
III-1 Introduction
III-2 Le PC1D
III-3 Les paramètre du dispositif (Device)
III-4 Les paramètre des régions
III-5 Les Paramètres d’excitation
III-6 Visualisation des résultats
III-7 Identification du matériau
III-8 Le fonctionnement du PC1D
III-9 Structure à simuler
Chapitre IV: Simulation et Résultas
IV-1 Introduction
IV-2 Simulation d’une cellule à base de silicium
IV-2-1 Cellule solaire de type n+ / p avec et sans texturation
IV-2-2 Effet de la température sur la cellule de type n+ / p avec et texturation 52
IV-2-3 Effet du dopage de l’émetteur
IV-2-4 Effet du dopage de la base
IV-2-5 Cellule n+ / p avec la couche arrière dopée p+
IV-3 Simulation d’une cellule solaire à base de GaAs et GaAlAs
IV-3-1 Cellule solaire à base de GaAs avec fenêtre..GaAlAs.
IV-3-2 Cellule solaire à base de GaAs sans fenêtre
IV-3-3 Cellule solaire à hétérojonction GaAlAs/GaAs sans fenêtre
IV-4 Conclusion
Conclusion générale

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