CONDUCTEURS – SEMI

Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
CONDUCTEURS – SEMI-CONDUCTEURS - SUPRACONDUCTEUR
Mots-clefs : Conducteur, Semi-conducteur, Supraconducteur
Contexte du sujet :
Les semi-conducteurs (largement utilisés en électronique dans les composants tels que les diodes, les DELs,
les transistors, les photorésistances…) sont des matériaux qui ont une conductivité électrique intermédiaire
entre celle des isolants et celle des conducteurs. Comment expliquer ces différences de conductivité entre
conducteurs, semi-conducteurs et supraconducteurs ?
PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES (durée conseillée : 60 min)
Document 1 : Conducteurs et isolants
Un conducteur est un corps qui permet le passage d’un courant électrique lorsqu’on impose une tension
entre ses bornes. Ce passage est assuré, dans les solides, par les électrons libres.
Un conducteur possède plus de 1022 électrons libres par cm3 permettant la conduction. Sa résistivité ρ
(caractérisant la capacité d’un matériau à s’opposer à la circulation du courant électrique) est donc
très faible : ρ ≤ 10-8 Ω.m.
Dans un isolant, les électrons libres sont très peu nombreux et la résistivité est élevée : ρ > 106 Ω.m.
Entre les deux se trouvent les semi-conducteurs. Le faible nombre d’électrons libres à température
ambiance augmente assez rapidement avec la température entraînant une rapide variation de la
conductivité du matériau de 10-5 à 10 Ω.m.
Document 2 : Bandes d’énergie
Dans un atome, l’énergie d’un électron est quantifiée : elle ne peut prendre que des valeurs
déterminées appelées niveaux d’énergie. Dans un solide, les niveaux d’énergie relatifs à chacun des
atomes qui le constituent, sont proches les uns des autres et forment des bandes d’énergie.
Dans leur état fondamental, les électrons remplissent complètement les bandes de faible énergie.
Seule la dernière contenant des électrons peut n’être que partiellement remplie : on l’appelle bande de
valence (BV).
Grâce à une excitation extérieure (agitation thermique, photon), des électrons de la bande de valence
peuvent passer dans une bande d’énergie supérieure appelée bande de conduction (BC). Leur grande
énergie leur permet de s’extraire de la structure ordonnées et ils deviennent alors mobiles (ou libre)
et peuvent participer à la conduction du courant électrique.
À l’intérieur des bandes
d’énergie, la différence
entre
des
niveaux
successifs est si faible
que l’on peut considérer
que
l’énergie
varie
de
façon continue.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
1
Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
Le comportement électrique des conducteurs, des semi-conducteurs et des isolants est modélisé par
la théorie des bandes énergétiques. Selon ce modèle, les niveaux d’énergie des électrons des atomes
d’une structure cristalline forment des bandes d’énergie appelées bandes permises. Les bandes
responsables des propriétés conductrices sont la bande de valence (BV) et la bande de conduction
(BC). Les énergies comprises entre deux bandes permises constituent une bande interdite (BI). Seuls
les électrons de plus hautes énergies, présents dans la bande de conduction, peuvent se détacher de
la structure cristalline et participer à la conduction du courant électrique. Pour les conducteurs, les
bandes de valence et de conduction se chevauchent. Ainsi, certains électrons sont libres d’évoluer
dans la structure cristalline (cas des métaux). En revanche, pour les semi-conducteurs et les isolants,
les bandes de valence et de conduction sont séparées par une bande interdite. La différence entre
semi-conducteur et isolant est due à la valeur Eg de cette bande interdite, Eg  1 eV pour les semiconducteurs et Eg  6 eV pour les isolants.
D’après J.-P. PEREZ et coll., « Électromagnétisme – Vide et milieux matériels », Masson, 1991.
Document 3 : Dopage d’un semi-conducteur
Un réseau monocristallin d’atomes de silicium, Si, est un semi-conducteur. L’atome de silicium ayant
quatre électrons de valence, il établit quatre liaisons covalentes avec quatre atomes voisins. Un semiconducteur au silicium a une conductivité quasi nulle. Afin
d’augmenter sa conductivité, on insère dans la structure
cristalline des atomes d’autres éléments, appelés dopants.
Pour un semi-conducteur au silicium dopé au phosphore, un
atome de phosphore, P, remplace un atome de silicium dans le
réseau. L’atome P ayant cinq électrons de valence, il forme
quatre liaisons covalentes avec des atomes de silicium voisins ;
il reste un électron libre qui peut participer à la conduction
électrique. L’atome de phosphore étant donneur d’électron, on
parle de dopage de type n (n pour négatif).
Par un raisonnement analogue, un atome dopant possédant trois
électrons de valence, comme le bore, B, conduit à un déficit
d’électron de valence dans le réseau, appelé trou. Ce trou peut
être comblé par un électron de valence d’un atome de silicium
voisin, déplaçant ainsi le trou. L’atome de bore étant accepteur
d’électron, on parle de dopage de type p (p pour positif).
Les éléments dopants génèrent des
niveaux
d’énergies
dans
la
bande
interdite.
Ces niveaux sont proches des bandes
de valence ou de conduction.
D’après J.-P. PEREZ et coll., « Électromagnétisme – Vide et milieux matériels », Masson, 1991.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
2
Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
Document 4 : Des matériaux sans résistance électrique.
Les électrons sont responsables de la circulation du courant électrique dans les matériaux
conducteurs. Lors de leurs déplacements, les électrons subissent de nombreux chocs qui les
ralentissent. On appelle résistance électrique la propriété d’un matériau à ralentir le passage du
courant électrique. Cette résistance provoque un échauffement du matériau par effet Joule (grillepain, ampoule électrique à filament, etc.).
En 1911, H. KAMERLINGH ONNES étudie la résistance électrique
du mercure à très basse température. Il découvre qu’en dessous
d’une certaine température (frisant le zéro absolu), appelée
température critique, Tc, la résistance du mercure s’annule
(schéma ci-contre). Il nomme ce phénomène « supraconductivité ».
La supraconductivité était née et semblait concerner de nombreux
métaux et alliages [...].
Pour expliquer le phénomène, nul besoin de faire appel à une
transformation
du
matériau
induite
par
le
froid.
La
supraconductivité trouve son origine dans le comportement des
électrons de la matière et, pour la comprendre, il faut avoir
recours à la physique quantique. Au fil des ans, les recherches
vont révéler bien d'autres propriétés surprenantes. En particulier,
supraconductivité et magnétisme ne font pas bon ménage : un supraconducteur exclut tout champ
magnétique que l'on veut lui imposer de l'extérieur. C'est l'effet Meissner, du nom de son découvreur.
«C'est d'ailleurs cette capacité qui fait qu'un supraconducteur est tout autre chose qu'un simple
conducteur idéal », rappelle Georges Waysand, du Laboratoire souterrain à bas bruit de Rustrel-Pays
d'Apt.
Mathieu Grousson, extrait de l'article «Une révolution qui venait du froid», paru dans l’enquête
« La supraconductivité prend son envol » - Journal du CNRS n- 255, avril 2011
Document 5 : La supraconductivité, comment ça marche ? (même source)
Pour qu’un métal devienne supraconducteur, il faut qu’il soit soumis à des températures approchant le
« zéro absolu » c’est-à-dire o Kelvin (K), soit – 273,15 °C. Dans l’avenir, les chercheurs espèrent
élaborer des supraconducteurs à température ambiante, qui ne nécessiteraient plus de systèmes de
réfrigération, coûteux et encombrants. D’ores et déjà, des matériaux, qui ne sont pas des métaux,
pouvant être supraconducteurs à quelques dizaines de kelvin, ont été découverts : en 1986, la
découverte d’un oxyde mixte de baryum, de lanthane et de cuivre (LaBaCuO) devenant
supraconducteur à 35 K lance la course aux hautes températures, ce qui a permis de découvrir un
supraconducteur dont la température critique est de 164 K.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
3
Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
Document 6 : Applications de la supraconductivité
L’absence totale de résistance électrique d’un supraconducteur parcouru par un courant est la
propriété la plus connue. La réalisation d’électro-aimants supraconducteurs constitue l’application la
plus courante de la supraconductivité. La supraconductivité a de nombreuses applications possibles
dans le domaine de l'énergie (Fig.1), des transports (Fig.2), de la santé (Fig.3), de la
télécommunication ou de la recherche.
fig.1
L’utilisation des
supraconducteurs
permettrait d’éviter les
pertes par Effet joule
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
Fig.2
Le train à sustentation
magnétique a atteint une
vitesse record de 581 km.h‐1
(le train lévite : il n’y a plus de
frottement)
4
Fig. 3
Les appareils à IRM (Imagerie
par Résonance Magnétique) pour
lesquels des champs
magnétiques de plusieurs teslas
sont produits grâce à des
solénoïdes supraconducteurs.
Les appareils à RMN utilisent
aussi la supraconductivité.
Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
Un aimant (le cube métallisé gris sur l’affiche ci-contre) crée autour de
lui un champ magnétique qui traverse tout matériau non magnétique,
comme la pastille circulaire. À basse température (T <Tc), la pastille,
généralement une céramique, devient supraconductrice. Elle expulse alors
le champ magnétique vers l’extérieur ce qui crée une force sur l’aimant et
le fait léviter : c’est l’effet Meissner. Cet effet est utilisé, entre
autres, dans le fonctionnement d’un train japonais.
Vidéo : C’est pas Sorcier : Le magnétisme : http://www.youtube.com/watch?v=zDOlKllbW2M
Analyse et synthèse : A partir des différents documents, répondre aux questions
1. Quelle relation existe-t-il entre résistivité et conductivité d’un matériau ? Expliquer
brièvement pourquoi.
2. Comment justifier, d’un point de vue microscopique, que la résistance des métaux augmente
lorsque la température croît ?
3. En utilisant la théorie des bandes, expliquer la conductivité électrique élevée des métaux.
4. Dans la théorie des bandes, qu’est-ce qui différencie un semi-conducteur d’un isolant ?
5. Pourquoi un semi-conducteur constitué d’un monocristal de silicium a-t-il une conductivité quasi
nulle ?
6. Les principaux semi-conducteurs sont constitués de réseaux cristallins d’atomes de silicium, Si,
ou de germanium, Ge. Que peut-on dire de leurs positions dans la classification de Mendeleïev ?
Où sont situés les métaux ?
7. Rechercher, dans la classification, d’autres éléments que le bore ou le phosphore pouvant
assurer un dopage de type p ou de type n.
8. A température ambiante, l’énergie d’agitation thermique est d’environ 25 meV. Pourquoi, à
température ambiante, un semi-conducteur dopé peut-il conduire le courant électrique ?
9. Qu’appelle-t-on le « zéro absolu » ?
10. Exprimer, en degré Celsius, la valeur de la température critique TC du mercure.
Donnée : T(K) = t(°C) + 273,15.
11. Comment, au début du XXème siècle, H. KAMERLINGH ONNES a-t-il pu atteindre une
température aussi basse pour refroidir le mercure ?
12. Comment varie la résistance du mercure avec la température lorsque T < TC et T > TC ?
13. A quelle condition certains matériaux peuvent-ils devenir supraconducteurs ?
14. Au niveau électrique, par quoi se traduit le phénomène de supraconductivité ?
15. Au niveau magnétique, de quoi s’accompagne ce phénomène ?
16. Quel est le principal avantage de la supraconductivité ?
17. Quel en est le principal inconvénient ?
18. Bilan : Rappeler les principales propriétés d’un matériau supraconducteur, les avantages et les
inconvénients et citer des applications.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
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Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
PARTIE B : PARTIE EXPERIMENTALE : CARACTÉRISTIQUE D’UNE DIODE (Durée conseillée : 1 h)
Une diode est un composant à semi-conducteurs très utilisé en électronique. Quelle est la
caractéristique d’une diode au silicium ? Comment relier ses propriétés à sa structure ?
I - Caractéristique d’une diode
Une diode est un composant dont le symbole est :
Proposer un montage permettant de tracer la caractéristique I = f (UD) d’une diode
Matériel

une diode électroluminescente de tension de seuil UD(seuil) = 1,6 V

une diode au silicium et ou diode au germanium

deux multimètres (1 voltmètre et 1 ampèremètre)

Un conducteur ohmique de résistance R = 100 

Un générateur de tension continue réglable
 Réaliser le montage du document 1.
 Régler l’ampèremètre pour qu’il mesure l’intensité
I en milliampère (mA) puis le voltmètre pour qu’il
mesure la tension UD aux bornes de la diode, en
volt (V)
 Faire varier la tension UPN entre les valeurs –3,0 V
et +6,0 V, et relever pour chaque tension les valeurs
de la tension UD aux bornes de la diode et de
Doc. 1 Schématisation du montage
l’intensité I qui la traverse.
 Les valeurs négatives de la tension UPN sont obtenues en inversant les branchements aux bornes du
générateur.
 Les valeurs seront reportées dans « Regressi » afin de tracer le graphe I = f(UD) sur un tableur et
l’imprimer
Analyse et interprétation : A partir des différentes observations, répondre aux questions
1. Décrire l’allure du graphe I = f(UD). Indiquer sur quelle partie de la caractéristique, la diode :
a. conduit le courant électrique (diode passante)
b. bloque le courant électrique (diode bloquée).
2. Le graphe précédent peut être modélisé par deux droites perpendiculaires. Les représenter sur le
graphe. A partir de cette modélisation, déterminer graphiquement la tension de seuil de la diode,
notée US, tension pour laquelle la diode devient passante.
3. Choisir une valeur de UPN pour laquelle la diode est passante. Inverser le sens de branchement de la
diode. Qu’observe-t-on ?
4. La diode n’est pas un dipôle symétrique. Justifier cette affirmation.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
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Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
II - Fonctionnement interne d’une diode
Une diode est formée par la mise en contact de deux semiconducteurs, l’un dopé n, l’autre dopé p. La zone de contact
est appelée jonction (doc. 2). Le semi-conducteur dopé n
conduit le courant par «saut d’électrons », les charges
négatives sont schématisées par
. Le semi-conducteur dopé
p conduit le courant par « saut de trous ». Les trous sont
assimilables à des charges positives schématisées par
.
Lorsqu’on applique une tension électrique aux bornes de la
diode, les électrons et les trous migrent en sens inverses.
Selon la polarisation choisie, les porteurs de charges migrent
vers la jonction ou s’en éloignent.
Doc. 2 : Déplacement des électrons et
des trous
Dans le premier cas, soit un électron « comble » un trou, soit les porteurs de charges traversent
l’autre semi-conducteur jusqu’à atteindre l’électrode opposée. Dans le second cas, la jonction est
dépeuplée de porteurs de charges.
Analyse et synthèse : A partir des différents documents, répondre aux questions
5. Quel est le sens conventionnel de circulation du courant électrique I ? Quel est celui des
électrons ?
6. Sur les schémas du doc. 2, justifier le sens de déplacement des porteurs de charges (trous et
électrons).
7. Une diode peut être passante ou bloquée. Associer, à chacun des deux états de la diode, l’un des
schémas.
8. Reproduire le schéma ci-contre ; indiquer le sens du courant électrique I pour que la diode soit
passante et compléter les pointillés.
9. Justifier les termes anode et cathode par analogie avec l’oxydoréduction en chimie
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
7
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Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
CORRECTION
PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES (durée conseillée : 60 min)
Analyse et synthèse : A partir des différents documents, répondre aux questions
1. Quelle relation existe-t-il entre résistivité et conductivité d’un matériau ? Expliquer
brièvement pourquoi.
Plus un matériau est conducteur, plus sa résistivité est faible. (Doc. 1 et Doc. 4)
Explication : La conductivité électrique est due à un déplacement d’électrons libres dans le métal. Les
électrons peuvent plus ou moins rentrer en collision avec les atomes du métal lors de leur déplacement
en fonction de l’agitation des atomes.
Plus le nombre de chocs est élevé, plus le déplacement des électrons est difficile donc plus la
conductivité est faible. Le matériau « résiste » au passage du courant donc sa résistivité est plus
importante.
Pour infos :
La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre grecque rho (ρ), représente sa
capacité à s'opposer à la circulation du courant électrique. Elle correspond à la résistance d'un
tronçon de matériau de 1 m de longueur et de 1 m2 de section et est exprimée en ohm·mètre (Ω.m). On
utilise aussi :
2
 le Ω.mm /m = 10
 le μΩ.cm = 10
-8
-6
Ω.m ;
Ω.m.
2. Comment justifier, d’un point de vue microscopique, que la résistance des métaux augmente
lorsque la température croît ?
La résistance électrique d’un matériau est liée aux chocs que les électrons subissent lors de leurs
déplacements dans les matériaux conducteurs.
Lorsque la température croît, les atomes du métal vont vibrer de plus en plus et la vitesse des
électrons va augmenter ; ainsi le nombre de chocs des électrons par unité de temps va croître : la
résistance du matériau (ou la résistivité du matériau) augmente donc avec la température et sa
conductivité diminue.
La température augmente le nombre de collision donc la conductivité décroit et la résistivité
augmente pour les conducteurs. (Doc. 4)
Pour infos :
L'évolution de la résistivité avec la température dépend du matériau :

Pour les métaux, à la température ambiante, elle croit linéairement avec la température. Cet
effet est utilisé pour la mesure de température (sonde Pt 100)

Pour les semi-conducteurs, elle décroît avec la température, la résistivité peut aussi dépendre
de la quantité de rayonnement (lumière visible, infrarouge, etc.), absorbé par le composant

La résistance R (en ohms) d'une pièce rectiligne d'un matériau de résistivité ρ, de longueur L
(en mètres) et de section droite d'aire S (en mètres carrés) vaut donc :
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
8
.
Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux

La résistivité est la grandeur inverse de la conductivité (symbole : σ) :

La résistance est la grandeur inverse de la conductance électrique (symbole :
Conductance : G = 1 / R (en Siemens (S))
).
Conductivité électrique : σ = 1 / ρ (S.m)
La résistivité varie de 1,7.10-8 Ω.m pour le cuivre à 1016 Ω.m pour du quartz fondu à 300K
Fig 1 : Résistivité en fonction de la température T pour le cuivre, le plomb et le germanium
3. En utilisant la théorie des bandes, expliquer la conductivité électrique élevée des métaux.
Pour les conducteurs, les bandes de valence et de conduction se chevauchent. Ainsi, certains électrons
sont libres de se déplacer dans la structure cristalline des métaux, ce qui explique leur grande
conductivité électrique. (Doc. 2)
4. Dans la théorie des bandes, qu’est-ce qui différencie un semi-conducteur d’un isolant ?
La bande interdite d’un isolant est plus large que celle d’un semi-conducteur. Le « gap » énergétique Eg
est de l’ordre de 1 eV pour les semi-conducteurs est de l’ordre de 6 eV pour les isolants.
Remarque : Il est impossible de donner suffisamment d’énergie à un électron d’un isolant pour qu’il
puisse franchir cette bande interdite. (Doc. 2)
5. Pourquoi un semi-conducteur constitué d’un monocristal de silicium a-t-il une conductivité quasi
nulle ?
L’atome de silicium a quatre électrons de valence ; il établit quatre liaisons avec quatre atomes de
silicium voisins. Tous les électrons de valence participant à des liaisons, il n’existe pas d’électrons
libres. La conductivité d’un monocristal de silicium est donc quasi-nulle. (Doc. 3)
6. Les principaux semi-conducteurs sont constitués de réseaux cristallins d’atomes de silicium, Si,
ou de germanium, Ge. Que peut-on dire de leurs positions dans la classification de Mendeleïev ?
Où sont situés les métaux ?
Les éléments Si et Ge sont situés dans la même
colonne (colonne 14), ils ont des propriétés
physico-chimiques similaires.
Les métaux sont situés essentiellement dans les
colonnes 1 à 13.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
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Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
7. Rechercher, dans la classification, d’autres éléments que le bore ou le phosphore pouvant
assurer un dopage de type p ou de type n
Les éléments, autre que le bore B, pouvant assurer un dopage de type p sont ceux de la colonne 13 :
aluminium Al, galium Ga, etc.
Les éléments, autre que le phosphore P, pouvant assurer un dopage de type n sont ceux de la colonne
15 : arsenic As, antimoine Sb, etc.
8. A température ambiante, l’énergie d’agitation thermique est d’environ 25 meV. Pourquoi, à
température ambiante, un semi-conducteur dopé peut-il conduire le courant électrique ?
L’énergie d’agitation thermique à température ambiante (25 meV) est suffisante pour permettre à un
semi-conducteur dopé de conduire le courant électrique.
Pour les semi-conducteurs, l’augmentation de la température permet aux électrons de gagner de
l’énergie et de pouvoir franchir la bande interdite et ainsi passer dans la bande de conduction.
En effet, pour un semi-conducteur, les électrons libres de l’élément doivent franchir une barrière
énergétique de l’ordre de 10 meV pour parvenir à la bande de conduction.
9. Qu’appelle-t-on le « zéro absolu » ?
Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister, mais elle est inaccessible du fait de
propriétés quantiques. Elle vaut - 273,15 °C, - 459,67 °F (Fahrenheit), 0 K (kelvin).
À 0 K, une substance ne contient plus à l'échelle macroscopique l'énergie thermique (ou chaleur)
nécessaire à l'occupation de plusieurs niveaux énergétiques microscopiques. Les particules qui la
composent (atomes, molécules) sont toutes dans le même état d'énergie minimale (état fondamental).
10. Exprimer, en degré Celsius, la valeur de la température critique TC du mercure.
Donnée: T(K)= t(°C) + 273,15.
Sur le graphe, on lit Tc = 4,20 K, soit tc = Tc – 273,15 = 4,20 – 273,15 = - 268,95 °C
11. Comment, au début du XXème siècle, H. KAMERLINGH ONNES a-t-il pu atteindre une
température aussi basse pour refroidir le mercure ?
Au début du XXème siècle, il a pu atteindre une température de 0,9 K, soit – 272,15 °C, en liquéfiant
de l’hélium, en juillet 1908.
12. Comment varie la résistance du mercure avec la température lorsque T < TC et T > TC ?
Pour T > Tc, la résistance du mercure augmente avec la température.
Pour T < Tc, la résistance du mercure est nulle : le mercure est alors supraconducteur.
13. A quelle condition certains matériaux peuvent-ils devenir supraconducteurs ?
Les matériaux peuvent devenir supraconducteurs à des températures proches du zéro absolu.
Remarque : Trois des meilleurs conducteurs à température ambiante, le cuivre, l’or et l’argent, ne
présentent aucune propriété supraconductrice, et des matériaux normalement isolants pouvaient
devenir supraconducteurs.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
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Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
14. Au niveau électrique, par quoi se traduit le phénomène de supraconductivité ?
Au niveau électrique, la supraconductivité se traduit par une résistance nulle au courant électrique.
15. Au niveau magnétique, de quoi s’accompagne ce phénomène ?
Au niveau magnétique, le phénomène s’accompagne d’une exclusion de tout champ magnétique. (effet
Meissner).
16. Quel est le principal avantage de la supraconductivité ?
Le principal avantage est d’éviter les pertes par effet Joule.
17. Quel en est le principal inconvénient ?
Le principal inconvénient est que le phénomène de supraconductivité nécessite de travailler à de très
faibles températures et donc d’utiliser des systèmes de réfrigérations.
18. Bilan : Rappeler les principales propriétés d’un matériau supraconducteur, les avantages et les
inconvénients et citer des applications.
Un matériau supraconducteur a une résistance électrique nulle en dessous d’une certaine température
critique. Le courant électrique peut donc y circuler sans aucune résistance et il ne provoque aucun
échauffement.
Les supraconducteurs expulsent également tout champ magnétique vers l’extérieur. Ils ont pour effet
de faire « léviter » les aimants.
La supraconduction est utilisée :

pour les câbles qui ne présentent donc aucune résistivité au passage du courant électrique ;

dans les appareils médicaux (RMN et IRM) afin de pouvoir transporter de forts courant
électrique sans perte par effet Joule et ainsi alimenter des électro-aimants qui produiront
d’importants champs magnétiques indispensables pour ces appareils médicaux ;

dans les transports : train à sustentation magnétique.
La réalisation d’électro-aimants supraconducteurs constitue l’application la plus courante de la
supraconductivité.
PARTIE B : PARTIE EXPERIMENTALE : CARACTÉRISTIQUE D’UNE DIODE (Durée conseillée : 1 h)
I - Caractéristique d’une diode au silicium
1. Décrire l’allure du graphe I = f(UD). Indiquer sur quelle partie de la caractéristique, la diode :
a. conduit le courant électrique (diode passante)
b. bloque le courant électrique (diode bloquée).
Le graphe I = f (UD) présente deux parties principales :
a. pour UD < 0,5 V environ, I = 0 mA ; la diode ne
conduit pas le courant électrique (diode bloquée) ;
b. pour UD > 0,5 V environ, l’intensité I est non nulle ; la
diode conduit le courant électrique (diode passante.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
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Thème : Les matériaux
Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux
2. Le graphe précédent peut être modélisé par deux droites perpendiculaires. Les représenter sur le
graphe. A partir de cette modélisation, déterminer graphiquement la tension de seuil de la diode,
notée US, tension pour laquelle la diode devient passante.
Lorsque la diode devient passante, la tension de seuil US aux bornes de la diode est de l’ordre 0,7 V.
3. Choisir une valeur de UPN pour laquelle la diode est passante. Inverser le sens de branchement de la
diode. Qu’observe-t-on ?
Lorsqu’on inverse le sens de branchement d’une diode passante, celle-ci devient bloquée. Plus aucun
courant ne circule.
4. La diode n’est pas un dipôle symétrique. Justifier cette affirmation.
Le sens de branchement de la diode a une importance : La diode n’est donc pas un dipôle symétrique,
contrairement à un conducteur ohmique, par exemple.
5. Quel est le sens conventionnel de circulation du courant électrique I ? Quel est celui des
électrons ?
À l’extérieur d’un générateur, le courant circule conventionnellement de la borne positive vers la borne
négative du générateur. Les électrons circulent dans le sens opposé.
6. Sur les schémas du doc. 2, justifier le sens de déplacement des porteurs de charges (trous et
électrons).
Les électrons, chargés négativement, se déplacent vers la borne positive du générateur et les trous,
chargés positivement, se déplacent vers la borne négative du générateur.
7. Une diode peut être passante ou bloquée. Associer, à chacun des deux états de la diode, l’un des
schémas.
8. Reproduire le schéma ci-contre ; indiquer le sens du courant
électrique I pour que la diode soit passante et compléter les
pointillés.
9. Justifier les termes anode et cathode par analogie avec l’oxydoréduction en chimie
En chimie :

à l’anode a lieu une oxydation, donc une libération d’électrons ;

à la cathode a lieu une réduction, donc une consommation d’électrons.
Au niveau de la diode, les électrons :

quittent le domaine dopé p, donc l’anode, par analogie avec l’oxydoréduction en chimie ;

arrivent sur le domaine dopé n, donc la cathode, par analogie avec l’oxydoréduction en chimie.
Conducteurs, Semi-conducteurs, Supraconducteurs
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