CHAPITRE XIII : STRUCTURE DE LA MATIERE

CHAPITRE XIII : STRUCTURE DE LA MATIERE
1.
LIAISONS ENTRE ATOMES
Liaison ionique
Liaison entre atomes par attraction électrostatique
entre ions formés par transfert d’un é- d’un atome à
l’autre.
Ex : NaCl
Liaison covalente
Mise en commun d’un électron
Ex : H2, F2, H20, NH3
Liaison carbone
La liaison carbone implique 4 liaisons covalentes
équivalentes
Ex :
CH4
2.
CH2
CRISTAUX
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Cristaux ioniques
Un cristal est une configuration stable d’atomes, dans
une structure régulière et répétitive.
Ex : cristal de NaCl
Cristaux covalents
Le carbone donne 2 types de cristaux
Graphite : structure en plans ; liaisons
–
et
= : maille =
anneau de 6 C.
Diamant : liaisons
–
et maille de 4C, pas de structure
planaire.
Cristaux métalliques
Dans un métal les électrons extérieurs des atomes sont
libres : nuage d’électrons libres (électrons de conduction)
commun au cristal. Ces électrons :
•
Assurent la conduction électrique
•
Forment un « nuage d’électricité » dans lequel les
ions métalliques + sont liés.
3.
THEORIE DES SOLIDES
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Bandes d’énergie dans les solides
Lorsque des atomes cessent d’être isolés et forment
un cristal solide, leur comportement devient très
différent du cas isolé.
Exemple :
Atome Li isolé : l’électron 2s est lié. Il faut fournir 5.4
eV pour le libérer (énergie d’ionisation d’1 atome Li
isolé = 5.4 eV)
Atomes Li dans un solide : chaque électron 2s devient
libre : « gaz » d’électrons libres ou d’électrons de
conduction.
Ces e- n’appartiennent à aucun atome Li en particulier,
mais bien à l’ensemble du solide Li, car la fonction
d’onde de chaque électron s’étend à travers l’entièreté
du solide.
L’état atomique discret 2s devient dans le solide une
bande d’énergie appelée bande de conduction, occupée
par les électrons de conduction.
Les propriétés thermiques, électriques ou magnétiques
d’un solide macroscopique dépendent beaucoup de la
nature de ses bandes.
Conducteurs et isolants
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En général, tous les états d’un atome isolé deviennent
des bandes dans le solide, même les états non occupés.
Ex : dans Li solide, on trouve des bandes 2p, 3s, 3p…
non remplies.
Les bandes peuvent être séparées ou se recouvrir
(selon la nature du solide).
Le remplissage des bandes d’énergie par des électrons
se fait de manière analogue à celle des états d’énergie
atomique :
un cristal contenant N atomes peut présenter :
une bande 2s contenant 2N électrons
3p
6N
etc.
Si une bande est complètement remplie, aucun e- de
cette bande ne peut recevoir de l’énergie, sauf si cette
énergie supplémentaire porte l’électron dans un état
vide dans une bande supérieure.
Un conducteur est un solide dont la bande occupée la
plus haute est partiellement remplie : les é- dans cette
bande peuvent être accélérés dans une direction
donnée par application d’un champ électrique externe.
L’énergie ainsi reçue par un e- est généralement petite
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et porte cet e- dans un état accessible de la bande de
conduction.
Un isolant est un solide dont la bande occupée la plus
haute est entièrement remplie. Un champ électrique
appliqué ne peut alors déplacer un é-.
Ordre de grandeur du gap en énergie : 5 à 10 eV. Il
faudrait un champ énorme (de l’ordre de 5 108 V/m)
pour accélérer un é- dans le diamant.
Semi-conducteurs
- Un semi-conducteur est un isolant dans lequel le gap
est petit (< 1 eV)
Ex : germanium 0.7 eV.
- Dans un semi-conducteur , la conduction dépend de la
température.
•
Basses t° : aucun e- n’a assez d’énergie thermique
pour franchir le gap vers la bande de conduction
•
T° plus élevées : de plus en plus d’électrons se
trouvent dans la bande de conduction
conductibilité électrique faible d’où le nom de semiconducteurs
Ex : silicium
250°K : n électrons de conduction
450°K : 106 n électrons de conduction.
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- On peut remplacer l’effet de la t° par celui de la
lumière : on appelle photoconducteur un semiconducteur dont la conductivité est augmentée par
exposition à la lumière ;
L’absorption de lumière porte un certain nb d’é dans la
bande de conduction.
Ex : germanium exposé à des photons d’énergie > 0. 7
eV = gap.
On peut augmenter la conductivité d’un semiconducteur de façon permanente, par dopage ou
introduction d’un petit nombre d’impuretés.
Exemples :
1) Dopage du GE par de l’arsenic (As)
Ge : Z = 32
Ar + 3d10 4s2 4p2 : 4 électrons de valence
As : Z = 33
Ar + 3d10 4s2 4p3 : 5 électrons de valence
Si un atome As remplace un atome Ge dans le cristal
Ge, 4é forment des liaisons, le 5ème est peu lié à l’As
(0.01 eV) . Très peu d’énergie est donc nécessaire pour
porter cet électron dans la B.C.
A t° ambiante, tous ces é d’atomes As sont dans la
bande de conduction ( par contre , il y en a très peu de
Ge)
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Remarques :
Concentration As : 1 atome/107 ; dans 1 cm3 de cristal
≈ 1016 e- de conduction As ⇒ courant de conduction
important possible
Le semi-conducteur résultant du dopage par une
impureté du type DONNEUR est appelé semiconducteur de type n (porteurs de charge -)
2) Dopage du GE par du gallium (Ga)
Ge : Z = 32
Ar + 3d10 4s2 4p2 : 4 électrons de valence
Ga : Z = 31
Ar + 3d10 4s2 4p : 3 électrons de valence
Ga emprunte un électron à un atome Ge. Il y a donc
formation de Ga- et Ge+.
Ge+ : trou d’électron
Ge+ peut capter un e- a un Ge voisin : migration du
trou ou courant de trou +
Ici, dopage par une impureté du type ACCEPTEUR :
semi-conducteur de type p (porteurs de charge +).
Il faut peu d’énergie pour qu’un atome accepteur capte
un e- d’un atome Ge voisin.
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Application
Jonction p-n : mise en contact d’un matériau de type p
avec un de type n.
Lors de la formation d’une jonction , il y a migration
des porteurs à travers la surface de séparation : les edans n remplissent des trous dans p.
⇒ Charges + dans n et charges – dans p au voisinage de
la jonction
⇒ Champ électrique + → - ; n → p
⇒ Différence de potentiel ⇒ le transfert de charges
s’interrompt.
a)
Si le pôle p est relié au pôle – d’une pile et le pôle n
au pôle +, un champ additionnel vient renforcer le
champ existant : le courant ne passe pas
La diode ou jonction est dite mise dans le sens non
passant
b)
Si le pôle p est relié au pôle + d’une pile et le pôle n
au pôle -, un champ supplémentaire de sens inverse
vient réduire le champ existant : le courant passe.
La diode est dite mise dans le sens passant.
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