1 Les applications électroniques en grande surface • Les photopiles solaires (amorphes et cristallines) • Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats • Autres applications (détecteurs, réprographie) • Les technologies à base de nc-Si ou p-Si
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Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface
• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)
• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats
• Autres applications (détecteurs, réprographie)
• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si
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Le spectre solaireLe spectre solaire
Effet de l’altitude :•AM0 : spectre solaire hors l’atmosphère (voisin du corps noir 5800 °K) : applications spatiales
•AM1 : soleil au zenith(absorptions dans l’UV et dans l’IR)
•AM2 : inclinaison de 60° par rapport au zenith
Bonne approximation : AM 1.5 (844 W/m2) inclinaison 45°
Nécessité de grandes surfaces de conversion
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Le solaire photovoltaïque : un gisementpotentiellement sans limite
Le solaire photovoltaïque : un gisementpotentiellement sans limite
Quelques chiffes…
• Le rayonnement solaire récupérable sur le territoire français représente
200 fois la consommation totale d’énergie du pays
• Le seul équipement de la moitié des toits permettrait de couvrir 100 % des
besoins en électricité
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Effet photovoltaïque : principe généralEffet photovoltaïque : principe général
•Création d’une paire électron-trou par un photon d’énergie supérieure à Eg.
•Séparation des porteurs si diffusion jusqu’à la zone de charge d’espace
Circuit électrique équivalent : diode (jonction p-n) en parallèle avec une source de courant IL (excitation des porteurs par le rayonnement solaire). Caractéristique I(V) :
La caractéristique I(V) traverse le troisième quadrant : possibilité d’extraction d’énergie.Voc : tension de circuit ouvert (I=0)Isc : courant de court-circuit
Une cellule photovoltaïque a-Si:H ne peut être basée dur une jonction p-n !
La largeur de la charge d’espace peut être obtenue à partir de l’équation de Poisson. Avec la longueur de diffusion : L = (Dτ)1/2 et la mobilité : µ = eD/kT (D : coefficient de diffusion).
Effets de diffusion négligeables dans a-Si:H (faible mobilité). La collecte des charges s’effectue dans la zone de charge d’espace : nécessité d’étendre cette zone.
Schéma de fonctionnement dynamique d’un écran AMLCDSchéma de fonctionnement dynamique d’un écran AMLCD
Exemple : Téléviseur (500x500)•Chargement rapide de la capacité (cristal liquide) : Ron (source-drain) faible•Maintien de l’information : Roff grand•Valeur typique : Roff/Ron ~ 104 – 105
Application numérique :Capacité cristal liquide 10 pF (par pixel)Fréquence trame (rafraîchissement) : 30 HzPériode adressage ligne (30 ms/500) : 60 µsChargement pixel (>10 V) => ion ~ 1.5 µAMaintien de l’image : RC(TFT) > 30 ms
ioff < 10-10 A Ecrans AMLCD possibles avec a-Si:H (> 1000x1000)
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Display market revenues by type(data from DisplaySearch)
Display market revenues by type(data from DisplaySearch)
AMLCD panel with backlight and drive electronicsAMLCD panel with backlight and drive electronics
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Substrate area: Glass for AMLCDs vs SiliconSubstrate area: Glass for AMLCDs vs Silicon
AMLCD glass:x 2 every 3.6 years
Silicon substrates:x 2 every 7.5 years
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Production machines follow the trend: AKT, Unaxis,Ulvac...Production machines follow the trend: AKT, Unaxis,Ulvac...
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Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface
• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)
• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats
• Autres applications (détecteurs, réprographie)
• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si
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Détecteurs matriciels en grande surfaceDétecteurs matriciels en grande surface
• Détecteur de rayons X : a) architecture électrique de la matrice; b) Schéma de principe du détecteur
Principe d’un photodétecteur matriciel •TFT off : accumulation des charges
• TFT on : transmission des données
• Autre exemple : barrette de Fax ( 2-3000 pixel) : détecteur linéaire (A4). Spécifications similaires aux écrans AMLCD : ion ~ 1 µA
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Application à la xérographieApplication à la xérographie
Principe : chargement de la surface par une décharge « couronne » (~ 400 V); puis exposition à l’image : décharge sélective par photoconductivité; enfin, impression de la photocopie à laide du toner.
Nécessité de fortes épaisseurs (10-20 µm) pour éviter les claquages;
Temps de développement (0.5 s) compatible avec faible mobilité (< a-Si:H)
Problème : éviter la décharge de la surface en l’absence d’illumination :• compensation du a-Si:H (diminue la génération thermique de porteurs)• suppression de l’injection arrière (contact bloquant)• suppression de la conduction de surface (a-SiNx)
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• Autres applications (détecteurs, réprographie)
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Example of threshold voltage drift of an a-Si:H TFT under low gate voltage
Example of threshold voltage drift of an a-Si:H TFT under low gate voltage
Solar cells : Decrease of energy conversion efficiency upon light exposure (Staebler Wronsky effect)
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BOTTOM GATE TFTs
µc-Si BG TFTs : 300 nm thick layer deposited by PECVD (SiF4/ H2/ Ar) = (1/12/25) with excellent characteristics and stability
-20 -10 0 10 201E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
µlin=2.8 cm2/V.s
µsat=1.6 cm2/V.s
W/L = 35µm / 7 µm
Vds=0.1V Vds=10V
I ds (A
)
Vgs (V)
source
Gate insulator
µ c-Si
gate
drain
-20 -10 0 10 20
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
before stress stressed, 1000 s
I ds1/
2
Vgs
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TFTs microcristallins (µc-Si )
• Caractéristiques électriques stables
• Augmentation de la mobilité (facteur 2-5)
• Possibilité d’intégration (partielle) d’intégration des circuits de
commandes dans la même technologie
• Matériau compatible avec la technologie a-Si:H actuelle (BG) :
niveaux de masquage...
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Interest of polysilicon technology: AMLCDsInterest of polysilicon technology: AMLCDs
Matrix
Line Drivers
Matrix
Column drivers
Integration of the driving electronics at marginal cost
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Crystallisation of a-Si: pulsed laser system with line beam opticsCrystallisation of a-Si: pulsed laser system with line beam optics
XeClXeCl, 308 nm, 50Hz, 308 nm, 50Hz
y
x
El
TopTop--hat energy profilehat energy profile
Largest line beam (Microlas):350 mm X 250 µm
L = (Dτ)1/2
D = κ/ρCp
L ~100 nm in SiO2, for τ ~25 ns
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Polysilicon TFTs: top gate structurePolysilicon TFTs: top gate structure
Passivation de grille
Substrat + passivation (SiOx)
Couche activepoly-Si
Oxyde de grilleMo
AlMo
Mo
Drain Source
W = 3µmL = 10µm
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Grain size: process window at SLG regimeGrain size: process window at SLG regime
λλ(( µµ
m)
m)
Laser energy density (a.u.)Laser energy density (a.u.)