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Matière Découverte_1ere Année LMD-ST 2012/13 Dr. I. Messaïf
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Matière Découverte_1ere Année LMD-ST 2012/13 Dr. I. Messaïf
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Partie 1 : Licence Génie Électrique
La licence génie électrique vise à former des étudiants qui effectueront une recherche fondamentale ou
appliquée d’un haut niveau scientifique dans le domaine du génie électrique et notre objectif est qu’une
partie importante des diplômés puissent poursuivre par des études de master dans une des spécialités du
génie électrique ou puisse se diriger vers des métiers répondant à l’industrie actuelle.
Les spécialités




Télécommunications
Automatique
Instrumentation
Électrotechnique
Télécommunications
On peut trouver dans ce domaine:

Systèmes de télécommunication, microélectronique, Informatique, Réseaux et Multimédia


Les télécommunications, secteurs d'activités dynamiques, font appel à un ensemble de
connaissances associant l'informatique (réseaux, multimédia, etc.) et l'électronique (traitement du
signal, microélectronique, etc.).
La complexité croissante des systèmes électroniques nécessite en effet la maîtrise des méthodes
et techniques dédiées aux réseaux de communication et à la conception des circuits intégrés afin
d’assurer la cohabitation des modules matériels et logiciels pour la conception des systèmes sur
puces et des objets communicants.
 Concevoir des systèmes embarqués intégrant les dernières technologies de l’électronique, de
l’informatique et des communications et de mettre en œuvre une architecture de type réseaux locaux
industriels permettant la coordination et la communication des divers composants du système.
Les spécialités de télécommunications sont liées aux domaines des communications utilisant des liaisons
hertziennes ou guidées dans des bandes de fréquences couvrant le spectre depuis les ondes
radioélectriques jusqu'aux ondes optiques. Dans ces bandes de fréquence, de nombreux systèmes sont
actuellement au stade de développement:
Automatique
On peut citer entre autres: La robotique, l’automatisation avancée dans les systèmes embarqués fixes et
mobiles (véhicules de transport par route, air et rail, électroménager, équipements militaires et
spatiaux,...).
Instrumentation
La spécialité Capteurs, mesure et instrumentation a pour objectif de former des étudiants possédant à la
fois de très bonnes connaissances en physique des capteurs et des compétences en modélisation et
expérimentation dans un domaine très large.
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Cette spécialité permet de:
o de concevoir et de mettre en œuvre des capteurs physiques ou physico-chimiques ainsi que des
systèmes de mesures,
o d’interpréter les mesures et de définir les actions en retour.
Électrotechnique
On peut trouver:
o Étude des machines tournantes et les réseaux électriques.
o Transformateur statique, caractéristiques industrielles, machine, dynamos, moteur, transports et
distribution de l’énergie électrique.
Connaissances requises
o
o
o
Physique, chimie
Mathématiques
Informatique
Domaines du génie électrique
 Électricité: électrocinétique, électrostatique électromagnétisme, courant alternatif.
 Électronique: conducteur, isolant, semi-conducteur, jonction, diodes, transistors.
 Traitement numérique et analogique de l’information (filtrage, amélioration de la qualité, extraction de
l’information pertinente, transmission, compression, etc.….
Partie 2 : Électricité
Électrocinétique
 Description du "courant électrique"
Dans un conducteur non soumis à une ddp,
les électrons de conduction sont animés
de mouvements d'agitation thermique
indépendants les uns des autres. Il n'y a pas
d'effet de déplacement collectif.
 Si on applique une ddp
𝑉→
→→
𝐸
→=𝑞→
𝐹
𝐸


Tous les électrons se déplacent sous l'action de Fcolinéaire à E. Il y a alors déplacement collectif de ces
électrons: "courant électrique".
 dans la majorité des cas de courant électrique (courants de conduction), les charges
sont des

électrons (charges négatives). Leur déplacement est donc de sens opposé à E , donc de sens
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opposé au sens conventionnel du courant.
 Charge électrique: 𝑄 = 𝐼 𝑡
Unités: I [A] Ampère, Q [C] Coulomb
 Effets du courant électrique
On peut citer: Calorifique, chimique, magnétique, physiologique.
Travail d'une charge électrique dans un champ E :
𝑊𝐴𝐵 = → → 𝑎𝑣𝑒𝑐 → = 𝑞 →
𝐹 𝑑𝑙
𝐹
𝐸
𝑊𝐴𝐵 = 𝑞 → → = 𝑞 (𝑉𝐴 − 𝑉𝐵 ) = 𝑞 ∆𝑉
d'où:
𝐸 𝑑𝑙
 Si la charge qui se déplace est un électron, l’Unité de W est l’électron volt soit [eV].
 Quelques énergies






Energie cinétique moyenne d'une molécule de gaz à 20°C: 25.10-3 eV
Energie de liaison interatomique: 2 à 10 eV
Energie de liaison d'un électron de valence: 4 à 20 eV
Energie de liaison d'un électron de couche K: ~ 103 eV
Energie d'électrons utilisés pour produire des RX, médicaux: 75.103 eV, industriels: ~ 103 eV
Energie des électrons accélérés
o dans un tube TV: ~ 20.103 eV
o dans un microscope électronique: ~ 105 à 106 eV
 Energie des particules émises par un corps radioactif: 4-10.106 eV
 Energie des particules cosmiques (rayonnement cosmique): 109 eV
 Loi de Joule
Le passage du courant dans un conducteur produit de la chaleur. Le déplacement des électrons de
conduction, à travers le nuage électronique constitué par les électrons liés aux atomes, est responsable
de chocs qui "ralentissent" (freinent) le déplacement de ces électrons soumis à E.
2
𝑊=𝑞𝑉 =𝑉𝐼𝑡=𝑅𝐼 𝑡
Applications: Fusibles, radiateurs électriques, lampes à incandescence, ampèremètre thermique.
 La résistance électrique s’écrit:
𝑅=
𝑉
𝐼
 Pour un conducteur homogène, de section constante et de longueur l:
𝑙
𝑅= 𝜌
𝑆
 Définition de la résistivité ρ
Elle dépend du matériau. De ce fait, selon l'ordre de grandeur de la résistivité, on peut définir 3 types de
matériaux: Conducteurs-métaux et leurs alliages (~qq10-6Ωm), isolants (~108 à 1014Ωm) et semiconducteurs (10-3<<1Ωm).

Dépendance de la résistivité avec la température
Pour les semi conducteurs:
𝐵
𝜌 = 𝐾 𝑒𝑥𝑝 ( )
avec T température absolue
𝑇
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Pour les conducteurs:

𝜌𝜃 = 𝜌0 (1 + 𝑎𝜃 )
avec ρ0 température à θ=0°C
Remarques
1- On utilise la variation de ρ (donc de R) avec la température pour mesurer les variations de
température: sondes de température à résistances métalliques ou à thermistances.
2- La sensibilité de la variation avec la température dépend des impuretés contenues dans le matériau.
 Supraconductivité
Au-dessous de Tc R=O: Possibilité de
courants de forte intensité sans effet Joule.
 Courant électrique

Nature du courant
Le courant électrique est un déplacement de charges électriques dans la matière.

Circulation des électrons
Les électrons chargés négativement circulent de la borne –
vers la borne + du générateur.

Courant électrique
Le sens de circulation conventionnel du courant électrique
est de la borne + vers la borne – du générateur.

Quantité d’électricité
L’unité de charge électrique est le COULOMB (C). La
charge d’un électron est de: -1,6 10-l 9 C.

Intensité du courant
L’intensité du courant est le quotient de la quantité d’électricité
Q par la durée t de passage du courant.
𝐼=
𝑄
𝑡
I en ampères, Q en coulombs, t en secondes.

Représentation de l’intensité
Le courant électrique est représenté sur les schémas par une flèche qui n’indique pas forcément son sens
réel.
L’intensité du courant est une grandeur algébrique, sa valeur est: positive lorsque le courant circule dans
le sens de la flèche ou négative dans le cas contraire.
Remarque: Deux manières existent de représenter, par exemple, un courant de 3mA circulant de A vers
B.
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
Utilisation de l’ampèremètre
L’intensité se mesure avec un ampèremètre placé en série dans le circuit. Le symbole de l’ampèremètre
est le suivant:

Définition d’un nœud et Analyse
Un nœud est un point de circuit ou aboutissent plusieurs
I
I1
I2 I3
conducteurs. La somme des courants arrivant à un nœud
est égale à la somme des courants qui en partent.
 Potentiels-Tensions

Différence de potentiel
Le potentiel d’un point caractérise son niveau électrique il s’exprime en VOLTS (V).
La circulation du courant électrique entre deux points d’un circuit est due à une différence de potentiel
entre ces deux points.
La différence de potentiel est aussi appelée tension elle s’exprime en VOLTS (V).

Représentation de la tension
La tension entre deux points A et B est notée UAB.
UA est le potentiel du point A, UB celui du point B.
UAB= UA– UB. UA en volts, UB en volts, UAB en volts.

U: Grandeur Algébrique
La tension est une grandeur algébrique représentée par une flèche.

Potentiel de référence
Le potentiel d’un point n’est pas mesurable, c’est un nombre qui dépend du point choisi comme potentiel
zéro ou potentiel de référence.

Potentiel en différents points
Sur la figure, Les tensions aux bornes
des piles sont toujours les mêmes (1.5V),
par contre, les potentiels soulignés
dépendent du point de référence.
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
Mesure des tensions
La tension se mesure avec un voltmètre qui se monte
en dérivation sur le circuit. Sur la figure, un exemple
d’un voltmètre mesurant UAB.

Loi des mailles
Un circuit fermé est une maille.
Dans le montage suivant, on peut définir 3 mailles: ABE, BCDE, BCDE.

La somme algébrique des tensions rencontrées
en parcourant une maille est nulle
Étude de la maille ABEA
UAB+UBE+UEA = 0 V
Une des tension de cette maille peut s’écrire:
UAE =UAB+UBE
 Associations de résistances
L’association de résistances est équivalente à une résistance Re.
Si les résistances sont en série:
𝑅𝑒 = ∑ 𝑅𝑖
Si les résistances sont en parallèle:
1
1
= ∑
𝑅𝑒
𝑅𝑖
 Diviseur de tension: le potentiomètre
𝑈𝐴𝐵 = 𝑅1 𝐼 =
𝐸. 𝑅1
𝑅1 + 𝑅2
Selon les valeurs de R1 par rapport à (R1+R2), UAB varie
entre 0 et E.
Applications: Appareils de mesure de tensions.
 Diviseur de courant
La valeur de I1 dépend de celle de R1 par rapport
à (R1+R2). On peut choisir le rapport R1/(R1+R2)
pour que I1 représente une partie bien définie de I: On parle alors de diviseur de courant.
Applications: Appareils de mesure de courants.
 Ampèremètre
io valeur maximale du courant mesuré, g résistance interne
On mesure i en plaçant l'appareil en série dans le circuit:
Si I<io: mesure directe
Si I>io: Il faut diviser I en une partie i<io mesurable et en déduire I. On dit qu’on "shunte" le galvanomètre
(avec une résistance s).
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 Voltmètre
On mesure i dans la branche comprenant le galva, et connaissant g, on en déduit: 𝑈
Si U<g.io: On mesure directement i sur le galva placé tout seul dans la dérivation.
Si U>g.io: Il faut rajouter à g une résistance connue r. Le produit (g+r).i donne alors U.
=𝑔𝑖
Remarques:
 L'ampèremètre se met en série, le voltmètre en parallèle. Tous deux perturbent la mesure de la vraie
grandeur recherchée.
 Pour l'ampèremètre si I>io on met un shunt approprié en parallèle sur le galva, pour le voltmètre si
U>g.io on met une résistance additionnelle calibrée en série avec le galva. Dans les deux cas, on dit
que l'on "change de calibre".
Partie 3 : Dipôle Actifs
Ce sont principalement les générateurs électriques.
Piles
Accumulateur
Génératrice
 Définition
Un générateur est un appareil qui produit de l'énergie électrique à partir d'une autre forme d'énergie:
 Hydraulique
 Chimique, nucléaire
 Éolienne, solaire…
 Mécanique
 Diagramme énergétique
Le générateur a pour rôle de fournir de l'énergie électrique à une charge.
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 Générateur ʺParfaitʺ
On donne ci-après le symbole et la caractéristique d’une source de tension idéale ou parfaite.
U(V)
I
E
𝑈 =𝐸 ∀𝐼
U=E
I(A)
 Générateurs réels
Dans un générateur réel, la tension et l'intensité varient simultanément en fonction de la charge. Lorsque
l'intensité débitée par le générateur augmente, la tension à ses bornes diminue.
Le générateur est dit linéaire lorsque cette diminution de tension est proportionnelle à l'augmentation de
l'intensité du courant fourni.

Grandeurs Caractéristiques
La tension Uo aux bornes du générateur lorsqu'il ne débite pas (I= 0), est appelée tension à vide ou force
électromotrice (F.E.M.= E). La chute de tension en charge est due à la résistance interne r du générateur.
Cette résistance interne est donnée par la relation que nous allons établir.

Caractéristique U = f(I)
U(V)
ΔI
L’équation de la caractéristique est de la forme:
ΔU
𝑦 = 𝑎. 𝑥 + 𝑏
Soit dans notre cas:
𝑈 = 𝑎. 𝐼 + 𝑏

I(A)
Équations
Par identification, on peut écrire:
𝑈 = 𝑎. 𝐼 + 𝑏
𝑏=𝐸
𝑎=
∆𝑈
𝑎 = −𝑟
∆𝐼
L'équation de la caractéristique s’écrit alors: 𝑈 = 𝐸 − 𝑟. 𝐼
U et E s’expriment en Volts, r en Ohms et I en Ampères.
Cette relation représente l'expression de la loi d’ohm pour un générateur.

Modèle équivalent d’un générateur
r.I
I
E
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
Conclusion
 Les deux paramètres E et r sont représentés chacun par leur symbole: une source de tension parfaite,
en série avec une résistance.
 Les caractéristiques du dipôle générateur, E et r, permettent de calculer U connaissant I et
réciproquement.
 Ce modèle équivalent d'un générateur est appelé Modèle équivalent de Thevenin.
 Puissance

Définition de la Puissance
La puissance électrique mise en jeu entre deux points d’un circuit est égale au produit de la tension entre
ces deux points par l’intensité du courant qui le traverse.
𝑃 = 𝑈. 𝐼
P [Watts], U [Volts], I [Ampères]
Le dipôle générateur (a) fournit de la puissance au circuit
alors que le dipôle récepteur (b) absorbe de la puissance.

I>0
I>0
Mesure de la puissance
U>0
U>0
La mesure de la puissance s’effectue en à l’aide
du circuit suivant et en utilisant un Wattmètre.
* W
(a)
(b)
 Énergie électrique

Définition de l’énergie absorbée
L’énergie électrique absorbée par un circuit est égale au produit de la puissance consommée par le temps
de fonctionnement.
𝑊 = 𝑃. 𝑡

W [Joules], P [Watts], t [Secondes]
Unités d’énergie
L’unité d’énergie W est le Joule (J). Une autre unité d’énergie utilisée en électricité, est le watt-heure (Wh),
son multiple est le kilowatt-heure (kWh).
1Wh=3600J, 1kWh=3.6x106J

Conversion d’énergie
Un récepteur électrique (ou machine), absorbe de l’énergie électrique et la restitue sous d’autres formes.
Ainsi un moteur électrique transforme l’énergie électrique qu’il absorbe en énergie mécanique.
La transformation d’énergie s’accompagne toujours d’un dégagement de chaleur, c’est de l’énergie
perdue.

Bilan énergétique
Lors d’une transformation, l’énergie est conservée:
Énergie absorbée = Énergie utile + Chaleur
soit:
𝑊𝑎 = 𝑊𝑢 + 𝑝𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠
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Chaleur
Énergie
absorbée
Machine
(Moteur,
lampe,
alternateur,…)
Énergie
utile
11

Rendement d’un récepteur
Le rendement d’un récepteur est égal au rapport entre la quantité d’énergie utile qu’il produit et la quantité
d’énergie qu’il absorbe ou encore au rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée.
𝜂=
𝑊𝑢
𝑊𝑎
𝑃𝑢
𝑃𝑎
𝜂=
avec: Wu énergie utile, Wa énergie absorbée, Pu puissance utile et Pa puissance absorbée.
Partie 4 : Électrostatique
 Étude des distributions de charges électriques immobiles ou statiques

Rappels
Matière
Atomes
Noyaux, Électrons
La charge globale d’un atome est initialement nulle.
On parle d’ion lorsqu’un électron est arraché ou rajouté.
À l'échelle macroscopique, la "charge électrique" portée par un corps correspond à un défaut ou un excès
d'électrons.
Remarques: les charges mobiles sont, le plus souvent, des électrons.

Différence conducteur/isolant
Dans le cas de l’isolant (liaison covalente/ionique), les atomes "retiennent"
leurs électrons au voisinage des noyaux. Tout excès ou défaut d'électron reste
localisé là où il est créé.
Dans le cas du conducteur (liaison métallique), ces électrons sont libres de se
déplacer pourvu que le bilan total des charges soit constant.
En résumé, toute charge créée sur un matériau se répartit sur la surface,
dans le cas d'un conducteur, ou reste localisée là où elle a été créée, pour un isolant.

Force de Coulomb
Interaction entre charges ponctuelles dans le vide: La force
placée en O' est donnée par:
, due à q et s'exerçant sur la charge q'
′
𝑞
𝑞
𝐹′ = 𝑘 ( 2 )
𝑟
r= ‖OO′‖; k= 9 109 SI dans le vide.

Champ électrostatique
La charge q' en O' subira, ou ne subira pas de force, selon qu'il y aura ou non une charge q en O: la
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présence de q en O change donc les propriétés de l'espace, notamment en O', et ceci est ressenti par q'.
On dit que la présence de q en O modifie les propriétés de l'espace et on traduit ceci par l'existence d'un
champ vectoriel
appelé champ électrostatique.
Force
subie par q' de la part de q:
→′ = 𝑞 ′ →
avec:
𝐹
champ en M du à q en O.
𝐸
→=
𝐸
𝑘𝑞
→
𝑟2 𝑢
→=→
𝑟
𝑂𝑀′
k = 9.109 dans le vide
a pour origine "la source" du champ
Unité de champ est le V.m-1

Résumé
 Toute charge crée dans l'espace qui l'entoure un champ →
𝐸
 Toute charge q' placée dans un champ subit une force →′
𝐹
=
=
𝑘𝑞
→
𝑟2 𝑢
𝑞′ →
𝐸
 Unités: F'(N), q(C), E(V.m-1).

est "représenté" par la force s'exerçant sur la charge.

Le potentiel électrostatique
C'est un champ scalaire. Il est défini par les relations suivantes:
𝐵
𝑉𝐴 − 𝑉𝐵 = ∫𝐴 → →
𝑑𝑉 = − → →
𝐸 𝑑𝑙
𝐸 𝑑𝑙
On peut remarquer:
 V est un scalaire exprimé en Volt (V).
 Sens de croissance de V opposé à
→= − →
𝐸
𝑔𝑟𝑎𝑑
𝑉
.
 Les surfaces de potentiel constant sont appelées équipotentielles.
𝑘𝑞
 Le potentiel dû à une charge ponctuelle s’écrit: 𝑉 =
+ 𝐶𝑡𝑒
𝑟
Le potentiel en un point est défini à une constante près.
 Les champs et potentiels électriques ont été exprimés dans le cas où les charges sont dans le vide.
On a utilisé la constante k= 9.109 = 1/4πε0.
,
ε0 représente la permittivité du vide. Dans le cas où on a de la matière à la place du vide on remplace
ε0 par ε, donc k change alors de valeur mais la structure des formules reste la même.
 Phénomène d'influence

Description
Action de A sur B
influence
La modification de la répartition des charges sur la surface de B résulte d’une perturbation. Si le
conducteur B était initialement chargé, il conserve la même charge mais la répartition en surface est
modifiée.
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Partie 5 : Électronique
 Les semi-conducteurs

Les semi-conducteurs intrinsèques
Les semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité est intermédiaire entre celle des conducteurs et
celle des isolants. Parmi les corps simples utilisés en électronique, le germanium et le silicium sont des
semi-conducteurs (colonne IVb de la classification périodique des éléments de Mendeleïev). Leur
résistivité est plusieurs centaines de milliers de fois plus grande que le cuivre. Le silicium est le corps le
plus abondant dans la nature puisqu'il est à la base de la plupart des roches.
L'arséniure de gallium, alliage d'arsenic (5 électrons sur la couche externe) et de gallium
(3 électrons), se comporte comme un corps qui aurait 4 électrons sur sa couche externe,
comme le germanium ou le silicium. Il est principalement utilisé en très hautes fréquences.
Lorsque la température s'élève, sous l'effet de l'agitation thermique, des électrons
réussissent à s'échapper et participent à la conduction. Ce sont les électrons
situés sur la couche la plus éloignée du noyau qui s'impliquent dans les liaisons
covalentes.
Dans le cristal, ces électrons se situent sur des niveaux d'énergie appelée
bande de valence. Les électrons qui peuvent participer à la conduction
possèdent des niveaux d’énergie appartenant à la bande de conduction.
Entre la bande de valence et la bande de conduction peut se situer une
bande interdite. Pour franchir cette bande interdite l'électron doit acquérir de
l'énergie (thermique, photon,...). Pour les isolants la bande interdite est quasi
infranchissable, pour les conducteurs elle est inexistante. Les semi-conducteurs ont une bande interdite
assez étroite.
L'atome qui a perdu un électron devient un ion positif et le trou ainsi formé peut participer à la formation
d'un courant électrique en se déplaçant. Dans un cristal pur, à température ordinaire, les électrons libres
sont malgré tout extrêmement rares - de l'ordre de 3 pour 1013 atomes. Si l'électron libre est capté par un
atome, il y a recombinaison. Pour une température donnée ionisation et recombinaison s'équilibrent, ainsi
la résistivité diminue quand la température augmente.
Un semi-conducteur dont la conductivité ne doit rien à des impuretés est dit intrinsèque.
Un cristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques sont disposés aux
nœuds d’un réseau géométrique régulier. La cohésion de cet édifice est assurée par les liens de valence
qui résultent de la mise en commun de deux électrons appartenant à deux atomes voisins de la maille
cristalline. Les atomes de semi-conducteur sont tétravalents.
L’électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un électron
libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une charge libre positive: En effet, l’électron
quittant la liaison de valence à laquelle il appartient démasque une charge positive du noyau
correspondant.
Le trou peut être occupé par un autre électron de valence qui laisse, à son tour un trou derrière lui: tout se
passe comme si le trou s’était déplacé, ce qui lui vaut la qualification de charge libre. La création d’une
paire électron libre–trou est appelée génération alors qu’on donne le nom de recombinaison au
mécanisme inverse.
La concentration en électrons libres et en trous dépend très fortement de la température.

Semi-conducteurs extrinsèques du type N
Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes
pentavalents est dit extrinsèque de type N. Les dopages courants sont d’environ 1016 à 1018 atomes par
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cm3. On peut admettre que le nombre volumique des électrons libres est égal au nombre volumique des
impuretés et que le nombre volumique des trous (charges libres positives) est négligeable. Étant données
ces considérations, on établit le modèle de semi-conducteur représenté ci contre dans lequel
n’apparaissent que les charges essentielles, à savoir les électrons libres et les donneurs ionisés. Les
charges fixes sont entourées d’un cercle.

Semi-conducteurs extrinsèques du type P
Si l’on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin du semiconducteur, les trois électrons de la couche périphérique de l’impureté
prennent part aux liens de valence, laissant une place libre. Ce trou peut être
occupé par un électron d’un autre lien de valence qui laisse, à son tour,
un trou derrière lui. L’atome trivalent est alors ionisé et sa charge négative
est neutralisée par le trou (voir figure). Le semi-conducteur est alors dit extrinsèque de type P. Les
impuretés, pouvant accepter des électrons, sont appelées accepteurs.
Les impuretés, dans un semi-conducteur extrinsèque de type P, sont appelées accepteurs au vu de leur
propriété d’accepter un électron situé dans un lien de valence.
On peut faire les mêmes considérations qu’auparavant concernant le nombre volumique des trous: il est
approximativement égal au nombre volumique des impuretés. Le nombre volumique des électrons libres
est alors considéré comme négligeable. Il s’ensuit un modèle, représenté à la figure ci dessous, dans
lequel n’apparaissent que les charges prépondérantes: les trous et les accepteurs ionisés.
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