Qu'est-ce que Masse effective ?

Masse apparente utilisée pour traiter un électron ou un trou dans un cristal comme une particule libre soumise à une force extérieure. Elle dépend de la courbure de la bande ; plus elle est faible, plus la mobilité tend à être élevée.

Nom japonais: 有効質量

« Masse effective » apparaît dans 8 questions d'entraînement réparties sur 4 thèmes, dont Physique des semi-conducteurs, Semi-conducteurs composés, Transistors avancés (FinFET et GAA).

Domaine: Physique des semi-conducteurs

D'où vient la masse effective

Un électron dans un cristal se déplace dans le potentiel périodique des atomes ; sa réponse à une force appliquée diffère donc de celle d'un électron libre. La théorie des bandes intègre cet effet dans la relation énergie-vecteur d'onde E(k). Près d'un bord de bande, E est à peu près parabolique, E ≈ ħ²k²/2m*, et la masse effective est définie par la courbure, m* = ħ² / (d²E/dk²). Une bande fortement courbée donne un porteur léger et une bande plate un porteur lourd. La masse au repos réelle de l'électron ne change pas ; m* est simplement le paramètre qui permet d'appliquer la loi de Newton F = m*a à l'intérieur du cristal.

Masse effective et mobilité

La mobilité vaut approximativement μ = qτ/m*, où τ est le temps moyen entre deux collisions ; les porteurs plus légers accélèrent donc davantage entre les collisions. Dans le silicium faiblement dopé à température ambiante, la mobilité des électrons est d'environ 1 400 cm²/V·s et celle des trous d'environ 450 cm²/V·s, principalement parce que les trous sont plus lourds. C'est pourquoi, en CMOS, le pMOS est couramment dessiné 2 à 3 fois plus large que son partenaire nMOS pour équilibrer le courant de commande. Les électrons du GaAs, avec une m* d'environ 0,067 fois la masse de l'électron libre, atteignent environ 8 500 cm²/V·s, ce qui convient aux amplificateurs haute fréquence.

Trous, vallées et dépendance directionnelle

Près du sommet de la bande de valence, la courbure est négative ; un électron qui s'y trouverait aurait donc une masse effective négative. Traiter l'électron manquant comme un trou de charge positive et de masse positive rétablit un comportement intuitif, ce que confirme le signe de la tension de Hall. La masse effective peut aussi dépendre de la direction. La bande de conduction du silicium comporte six vallées équivalentes, chacune avec une masse longitudinale lourde d'environ 0,9 à 1,0 m0 et une masse transverse légère d'environ 0,19 m0. Dans le GaAs, un champ intense peut pousser les électrons dans la vallée L, plus haute et plus lourde : c'est l'effet de transfert d'électrons à l'origine de la diode Gunn.

Ajuster la masse effective par la contrainte

Comme la masse effective découle de la structure de bandes, modifier le réseau cristallin la modifie. Une contrainte en tension dans le silicium, obtenue par exemple avec une couche mince obtenue par croissance sur du SiGe relaxé, lève la dégénérescence des six vallées de conduction : les électrons se concentrent dans celles qui offrent la masse transverse légère dans la direction de transport, tandis que la diffusion intervallée diminue ; la mobilité des électrons peut augmenter d'environ 1,5 à 2 fois. Pour le pMOS, une contrainte en compression issue de régions source/drain en SiGe intégrées allège les trous. Les canaux en SiGe et en germanium sont étudiés parce que leur masse effective des trous est intrinsèquement plus faible que celle du silicium.

S'entraîner : questions sur Masse effective

Quelle comparaison des mobilités des électrons et des trous dans le silicium est correcte ?

  1. ALa mobilité des électrons est plus grande
  2. BLa mobilité des trous est plus grande
  3. CLes deux sont toujours égales
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Réponse : A. La mobilité des électrons est plus grande

Dans le silicium, à température ambiante et faible dopage, la mobilité des électrons vaut environ 1400 cm²/V·s et celle des trous environ 450 cm²/V·s, soit environ trois fois plus pour les électrons. La raison principale est la masse effective plus grande des trous. À dimensions égales, un nMOS conduit donc davantage de courant ; en CMOS, on donne classiquement au pMOS une largeur de grille 2 à 3 fois celle du nMOS pour équilibrer les courants de commande. Les procédés avancés augmentent la mobilité du pMOS par contrainte compressive au SiGe.

Comment appelle-t-on la masse introduite pour traiter le mouvement d'un électron dans un cristal comme celui d'un électron libre, d'après sa réponse à une force extérieure ?

  1. AMasse au repos
  2. BMasse atomique
  3. CMasse effective
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Réponse : C. Masse effective

Un électron dans un cristal subit le potentiel périodique des atomes et réagit aux forces extérieures différemment d'un électron dans le vide. La masse effective regroupe cette influence en traitant l'électron comme une particule de masse différente ; elle est déterminée par la courbure de la bande (plus la courbure est forte, plus la masse est faible). Plus la masse effective est faible, plus la mobilité est grande : c'est pourquoi les électrons du GaAs (environ 0,067 fois la masse de l'électron libre) sont plus rapides que dans le silicium. La faible mobilité des trous s'explique aussi par leur masse effective élevée.

Questions fréquentes

La masse effective est-elle la masse réelle de l'électron ?

Non. La masse au repos de l'électron est inchangée ; la masse effective est un paramètre déduit de la courbure de bande qui permet d'utiliser F = ma pour un porteur dans le potentiel périodique du cristal.

Pourquoi les trous ont une mobilité plus faible que les électrons dans le silicium ?

Dans le silicium, les trous ont une masse effective plus grande que les électrons de la bande de conduction ; un même champ les accélère donc moins entre deux collisions. Il en résulte un écart de mobilité d'environ un facteur trois à température ambiante.

La masse effective peut-elle être négative ?

Oui : près du sommet d'une bande, la courbure est négative, si bien qu'un électron qui s'y trouverait aurait une masse effective négative. Les physiciens décrivent plutôt ces états par des trous de masse positive et de charge positive.

« Masse effective » dans les explications

Questions mentionnant « Masse effective » (8)

  1. Quelle comparaison des mobilités des électrons et des trous dans le silicium est correcte ?
  2. Comment appelle-t-on la masse introduite pour traiter le mouvement d'un électron dans un cristal comme celui d'un électron libre, d'après sa réponse à une force extérieure ?
  3. Quelle description du trou est correcte ?
  4. Quelle est la principale raison pour laquelle le GaAs a été utilisé dans les amplificateurs haute fréquence des téléphones mobiles ?
  5. Sous un champ électrique intense dans le GaAs, les électrons passent dans une autre vallée de plus faible mobilité et une résistance différentielle négative apparaît, le courant diminuant lorsque le champ augmente. Quel composant oscillateur exploite ce phénomène ?
  6. Quel est l'objectif principal des techniques appliquant une contrainte au canal du transistor ?
  7. Pourquoi le SiGe ou le germanium est-il étudié ou adopté à la place du silicium comme matériau de canal des pMOS ?
  8. Lorsqu'une fine couche de silicium croît par épitaxie sur une couche de SiGe relaxée de plus grand paramètre de maille, quelle contrainte apparaît dans la couche de silicium ?

Termes associés

Mobilité SiGe (silicium-germanium) GaAs (arséniure de gallium) CMOS Tension de seuil Silicium contraint Accepteur Affinité électronique Bande interdite (bandgap) Bande interdite indirecte

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