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Module expérimental "semi-conducteurs"

Les semi-conducteurs, comme le Silicium ou le Germanium, sont des matériaux qui à l'état pur ne sont ni des bons isolants ni de bons conducteurs d'électricité. On peut néanmoins faire varier par plusieurs ordres de grandeurs la conductivité d'un semi-conducteur par des faibles perturbations (incorporation d'une faible quantité d'impuretés, application d'une tension électrique, éclairage avec de la lumière), et cette flexibilité fait de ces matériaux la brique de base de la micro et opto-électronique permettant de fabriquer des dispositifs tels que des transistors, des diodes électroluminescentes (LEDs), des cellules solaires, des capteurs CCD ou encore des lasers à semi-conducteurs.

De ce fait, ces matériaux sont d’une importance primordiale dans l’économie d’aujourd’hui, notamment pour l’industrie de la microélectronique et du photovoltaïque. Malgré le poids de ces industries, les semi-conducteurs ont encore de nombreux mystères à révéler, et restent un sujet de recherche extrêmement actif. Le PMC est un laboratoire qui compte parmi ses chercheurs des spécialistes dans le domaine du transport des électrons ainsi que la manipulation optique de leur spin dans des matériaux semi-conducteurs, le but étant d'utiliser le degré de liberté de spin des électrons pour stocker, manipuler et transmettre de l'information de façon plus efficace que dans les dispositifs dans lesquels seulement le transport des charges joue un rôle.

Pendant ce module expérimental, les étudiants bénéficieront d’une introduction théorique et pratique aux semi-conducteurs, qui leur permettra de découvrir les propriétés de ces matériaux en faisant des expériences historiques qui, avec le développement de la mécanique quantique, ont permis de comprendre le transport des électrons dans ces matériaux. Parmi les expériences qui seront faites on trouve: la mise en évidence du coefficient de température négatif, la rectification, l'Effet Hall, le pouvoir thermoélectrique, l'expérience de Haynes-Shockley, l'électroluminescence, etc. Divers matériaux seront étudiés : Germanium (Ge), Silicium (Si), Arséniure de Gallium (GaAs), Nitrure de Gallium (GaN), des puits quantiques à semi-conducteurs AlGaAs/GaAs/AlGaAs, et des nouveaux matériaux bi-dimensionnels tels que le disulfure de Molybdène (MoS2). Les dernières séances de ce modal seront dédiées à la mise en évidence du pompage optique dans les semi-conducteurs (phénomène découvert à l'Ecole polytechnique en 1968): on peut en effet induire une aimantation dans un semi-conducteur par de l'absorption de la lumière polarisée circulairement.

A la fin du module, les étudiants seront capables de comprendre les dispositifs à base de semi-conducteurs, ainsi que quelques enjeux majeurs de l’industrie de la microélectronique.

                                                                                  

Figure 1 : diode électroluminescente (LED) rouge                                                                Figure 2 : diode électroluminescente (LED) bleue