Thème : Les matériaux Conducteurs, semi

Classe de TS Spécialité PC
Thème : Les matériaux
Conducteurs, semi-conducteurs, supraconducteurs, photovoltaïques, cristaux liquides
1–Conducteurs, semi-conducteurs, isolants
1.1–Inventaire
Les meilleurs conducteurs : Ag, Cu, Al, Au
Les meilleurs isolants : Al2O3, verres céramiques
Semi-conducteurs intrinsèques
Un semi conducteur est constitué par un réseau cristallin de matériau très pur. On utilise soit des éléments du tableau périodique possédant chacun 4 électrons sur la couche externe, soit des combinaisons de matériaux qui possèdent 3 et 5 électrons
sur la couche externe. Les atomes sont liés entre eux par des liaisons covalentes. Ces liaisons sont assez robustes : pour arracher
des électrons des atomes, il faut fournir une énergie d’environ 1 eV contre 0,1 eV pour les conducteurs et 5 eV pour les isolants.
L’agitation thermique fait que certains électrons quittent leur liaison et deviennent des électrons libres. Ils créent alors un trou
qui ne demande qu’à être rebouché par un autre électron libre, surtout si on applique un champ électrique sur le cristal :
électrons et trous se déplacent en sens inverse, engendrant ainsi un courant électrique.
Les principaux semi-conducteurs utilisés en électronique sont :
— silicium (Si) : c’est le matériau le plus utilisé actuellement pour la fabrication des composants électroniques.
— germanium (Ge) : il est délaissé (température de fonctionnement limitée).
— arseniure de gallium (AsGa) : il est très utilisé dans la fabrication de composants opto-électroniques, et permet aussi de
fabriquer des composants plus rapides que ceux en silicium.
— CdS, CdSe, CdTe GaN, AlAs, AlP, InP
Semi-conducteurs extrinsèques
— Le semi-conducteur de type P (Positif) : On dope le cristal intrinsèque avec un élément possédant un nombre inférieur
d’électrons de valence (sur la couche externe) : on peut doper du silicium (4 électrons de valence) avec du Bore, de
l’indium, du Gallium ou de l’Aluminium qui possèdent 3 électrons de valence.
Ces atomes vont prendre la place d’atomes de silicium dans le cristal. Comme ils possèdent 1 électron de valence en
moins, il va se créer des trous dans le semi-conducteur. Les trous deviennent porteurs de charges mobiles majoritaires :
le semi conducteur est de type P. Il subsistera quelques électrons libres dans le cristal (porteurs minoritaires). Les trous
ainsi créés vont être susceptibles d’être bouchés par des électrons présents dans le cristal (par exemple, des électrons
issus de paires électron-trou générés par l’agitation thermique). Remarque : électron-trou ou électron-ion.
— Le semi-conducteur de type N (Négatif) : On dope le cristal avec des éléments ayant un électron de valence de plus
(atomes donneurs) : le phosphore, l’arsenic et l’antimoine, qui possèdent 5 électrons de valence pourront doper le silicium. 4 électrons vont faire des liaisons covalentes avec les atomes de silicium environnants, et le 5e e– sera un électron
libre ; tous ces électrons libres seront les porteurs majoritaires. Il existera encore quelques trous, mais en très faible
quantité.
— À noter que dans les deux cas (types N et P), le cristal reste globalement électriquement neutre.
1.2–Généralités
Toute matière a une résistance R et une conductance G. Si elle est soumis à une tension U et traversée par une intensité I,
R=
U
I
G=
1
R
Si cette matière a une forme cylindrique de longueur L et de section S, on définit la résistivité ρ et la conductivité électrique σ :
R=
ρ·L
S
G=
σ·S
L
La conductibilité des semi-conducteurs est comprise entre celle des métaux conducteurs et celle des céramiques isolantes,
entre 10−6 et 10−9 S/cm.
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La résistance d’un fil métallique, par exemple le filament d’une lampe à incandescence, augmente avec la température.
Contrairement à ce qui se passe dans un fil métallique, la résistivité des semi-conducteurs diminue quand la température
augmente : en effet, plus la température est élevée, plus le nombre de trous et d’électrons libres augmente, et plus le courant
produit est intense.
1.3–La théorie des bandes d’énergie
Dans un atome isolé, les électrons occupent des niveaux
d’énergie particuliers et distincts.
Quand des atomes se rapprochent pour former un solide, le
principe d’exclusion de Pauli indique que pas plus de deux
électrons dans le solide peuvent avoir la même énergie.
Quand deux atomes se réunissent pour former une liaison covalente, le même principe de Pauli serait violé si les niveaux
énergétiques des deux électrons de la liaison étaient les mêmes.
Par conséquent les niveaux énergétiques de ces électrons se divisent en deux niveaux d’énergie différents.
Si le nombre d’atomes augmente, ces deux niveaux se subdivisent eux mêmes en d’autres niveaux d’énergie très voisins ce
qui donne finalement des bandes d’énergie.
La bande de valence : les électrons qui s’y trouvent participent aux liaisons entre les atomes.
La bande de conduction : les électrons qui s’y trouvent sont mobiles et peuvent bouger d’un atome à l’autre si on leur applique
un champ approprié, ils participent donc à la conduction électrique ; c’est le déplacement de ces électrons qui est responsable
du courant électrique.
La bande interdite ou gap : la gamme d’énergie auxquelles les électrons n’ont pas accès (il n’y a pas de niveau d’énergie dans
cette gamme).
Pour les conducteurs, la bande de valence et la bande de
conduction se chevauchent. Des électrons peuvent donc passer directement dans la bande de conduction et circuler dans
tout le solide. La conductivité est bonne.
Pour les isolants, la bande de valence et la bande de conduction
sont séparées par un gap (bande interdite) de l’ordre de 6 eV.
Cette valeur est trop élevée pour que les électrons passent dans
la bande de conduction.
Pour les semi-conducteurs, la bande de valence et la bande
de conduction sont séparées par un gap plus faible, compris
entre 0,5 et 4 eV, mais le plus souvent voisin de 1 eV. Si on
apporte cette énergie aux électrons, certains pourront passer
dans la bande de conduction et circuler dans le matériau. L’apport d’énergie peut se faire par chauffage, par application d’un
champ électromagnétique. À température ambiante la conduction est faible, elle augmente rapidement avec la température.
1.4–Applications
Le domaine de l’électronique (transistors, diodes, circuits intégrés).
Optique : détecteurs (cellules photo-électriques, photodiodes, photographie, détecteurs CCD), émetteurs (diodes électroluminescentes, laser à injection, écrans fluorescents ou phosphorescents), cellules photovoltaïques pour convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique.
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Les semi-conducteurs sont également utilisés comme source de micro-ondes, thermistances, chauffage ou refroidissement
thermoélectrique.
Diode électroluminescente (DEL)
Les diodes semi-conductrices sont des composants à base de silicium ou d’arséniure de gallium (AsGa). Ces matériaux possèdent une propriété supplémentaire par rapport au silicium : une jonction PN, c’est-à-dire l’assemblage de deux régions du
même matériau dopées différemment, peut émettre de la lumière lorsqu’elle est polarisée en direct. Cette lumière est monochromatique et est caractéristique du matériau utilisé.
2–Supraconducteurs
Des conducteurs sans résistance : en dessous d’une température « critique », la résistance électrique de certains matériaux
devient nulle. Le matériau est alors un supraconducteur. Ils s’opposent également à tout champ magnétique externe (diamagnétisme).
Pour le mercure la supraconductivité apparaît à la température extrêmement basse de -269 °C. Mais les meilleurs métaux
(cuivre, or, argent) ne présentent aucune supraconductivité !
En 1998, les physiciens ont mis au point des matériaux supraconducteurs à la température de -73 °C, facilement réalisable
dans l’azote liquide.
L’intérêt d’un matériau supraconducteur réside dans le fait que des courants électriques très intenses peuvent y circuler, sans
échauffement, donc sans perte d’énergie.
Ces courants électriques circulant dans des supraconducteurs créent des champs magnétiques très forts indispensables dans
certaines applications :
— IRM d’Imagerie par Résonance Magnétique ou scanners
— projets de trains ou de métro à sustentation magnétique.
3–Cellules photovoltaïques
La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique.
Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et celles des semi-conducteurs :
lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont « bombardés » par les photons
constituant la lumière ; sous l’action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques supérieures (électrons des
couches de valence) ont tendance à être « arrachés/décrochés » : si l’électron revient à son état initial, l’agitation de l’électron
se traduit par un échauffement du matériau. L’énergie cinétique du photon est transformée en énergie thermique. Par contre,
dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons « décrochés » créent
une tension électrique continue faible. Une partie de l’énergie cinétique des photons est ainsi directement transformée en
énergie électrique : c’est l’effet photovoltaïque.
Il faut donc que l’énergie lumineuse soit supérieure à l’énergie nécessaire pour franchir le gap. Dans ce cas, l’électron se retrouve dans la bande de conduction.
Les photons absorbés dont l’énergie est supérieure à l’énergie du gap vont libérer un électron, laissant un «trou» positif derrière
lui.
La cellule individuelle, unité de base d’un système photovoltaïque, ne produit qu’une très faible puissance électrique de l’ordre
du watt au maximum avec une tension de moins d’un volt.
Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau). Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en
conservant la tension. La plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en silicium cristallin, connectées
en série pour des applications en 12 V. La puissance électrique fournie est proportionnelle à la surface du module.
Formule donnant la puissance :
P = U·I
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4–Cristaux liquides
Dans un cristal les molécules n’ont ni la liberté de se déplacer ni celle de tourner sur elles-mêmes. On dit qu’elles n’ont pas de
degrés de liberté de translation et de rotation.
Dans un liquide ordinaire, les molécules sont libres de tous leurs mouvements. C’est à la fin du XIXe siècle que l’on découvrit
certains liquides qui cristallisaient
Des molécules perdent leurs différentes libertés en plusieurs
étapes successives. Ces états intermédiaires (états mésomorphes de la matière) sont des cristaux liquides de différentes
sortes. On en connaît aujourd’hui plusieurs dizaines de types
différents (smectiques, nématiques, cholestériques. . . et correspondant à différentes symétries possibles :
Leurs applications utilisent la sensibilité de leur arrangement à la présence de parois et à l’application d’un champ électrique.
En l’absence de paroi ou de champ extérieur, toutes les directions de l’espace seraient équivalentes et cela ne coûterait aucune
énergie de changer en bloc l’orientation des molécules. Des traitements appropriés des parois permettent d’orienter les molécules de façon uniforme dans les cas les plus simples, torsadée dans la plupart des applications commerciales. Pour l’affichage,
on joue alors sur l’antagonisme entre l’effet des parois et celui d’un champ électrique. Au delà d’un certain seuil, le champ fait
basculer l’orientation des molécules, et si l’on regarde ce cristal liquide à travers un polariseur, il change d’aspect.
Applications : afficheurs à cristaux liquides, écrans LCD.
Malgré ses évidents succès, un tel procédé d’affichage souffre d’un double défaut : d’une part, la réponse du cristal liquide est
lente, d’autre part, le seuil n’est pas aussi précis qu’on le souhaiterait. C’est un problème sérieux pour les moniteurs d’ordinateurs ou la télévision de haute définition car l’affichage doit y être rapide. La lenteur est liée au fait que la restauration de
la direction initiale, après coupure du champ électrique, s’effectue par déplacement des particules partant des surfaces. L’obtention de temps rapides nécessite donc l’utilisation de films d’épaisseur de l’ordre du micromètre ou en-dessous, mais ceci
coûte très cher si les écrans sont grands. En pratique, les deux problèmes sont résolus en mettant un transistor derrière chaque
pixel : le seuil et la rapidité sont donnés par le transistor.
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