correction ads semi conducteur

ASDS$
TS&SPE$
THÈME$:$MATÉRIAUX$/$CONDUCTEURS$ET$SEMI&CONDUCTEURS$
PAGE$1$/$4$
NOM$:$ $............................$$ PRÉNOM$:$.......................$$ CLASSE$:$...................$$ DATE$:$$......................................$$
Document)1):)Bandes)d’énergie)
Le#comportement#électrique#des#conducteurs,#des#semi3
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#semi3conducteurs#et#les#
isolants,#les#bandes#de#valence#et#de#conduction#sont#séparées#par#une#bande#interdite.#La#différence#entre#
semi3conducteur#et#isolant#est#due#à#la#valeur#Eg:#de#cette#bande#interdite,#voisine#de#1#eV#pour#les#semi3
conducteurs#et#de#6#eV#pour#les#isolants.##
"#$%&'(!)*&*+!*,!-.//0!121!34/05!6/*-,&.3$786,4(3*!9!:4;*!*,!34/4*<=!3$,6&4*/!!>$((.8!1??10!
Document)2):)dopage)d’un)semi7conducteur)
Un#réseau#monocristallin#d'atomes#de#silicium,#Si,#est#un#semi3
conducteur.#L'atome#de#silicium#ayant#quatre#électrons#de#
valence,#il#établit#quatre#liaisons#covalentes#avec#quatre#atomes#
voisins.##
Un#semi3conducteur#au#silicium#a#une#conductivité#quasi#nulle.#
Afin#d'augmenter#sa#conductivité,#on#insère#dans#la#structure#
cristalline#des#atomes#d'autres#éléments,#appelés#dopants.#
Pour#un#semi3conducteur#au#silicium#dopé#au#phosphore,#un#
atome#de#phosphore,#P,#remplace#un#atome#de#silicium#dans#le#
réseau.#L'atome#P#ayant#cinq#électrons#de#valence,#il#forme#
quatre#liaisons#covalentes#avec#des#atomes#de#silicium#voisins;#il#
reste#un#électron#libre#qui#peut#participer#à#la#conduction#
électrique.#L'atome#de#phosphore#étant#donneur#d'électron,#on#
parle#de#dopage#de#type#n#(n#pour#négatif).#
Par#un#raisonnement#analogue,#un#atome#dopant#possédant#trois#
électrons#de#valence,#comme#le#bore,#B,#conduit#à#un#déficit#
d'électron#de#valence#dans#le#réseau,#appelé#trou.#Ce#trou#peut#
être#comblé#par#un#électron#de#valence#d'un#atome#de#silicium#
voisin,#déplaçant#ainsi#le#trou.#L'atome#de#bore#étant#accepteur#
d'électron,#on#parle#de#dopage#de#type#p#(p#pour#positif).#
#
#
Les#éléments#dopants#génèrent#des#niveaux#d'énergies#
dans#la#bande#interdite.#
#
Ces#niveaux#sont#proches#des#bandes#de#valence#ou#de#
conduction.#
#
#
"#$%&'(!)*&*+!*,!-.//0!121!34/05!6/*-,&.3$786,4(3*!9!:4;*!*,!34/4*<=!3$,6&4*/!!
>$((.8!1??1#
#
#
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#(grille3pain,#ampoule#électrique,#
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,#appelée#
température#critique,#TC#la#résistance#du#mercure##s'annule#(schéma#ci3contre).#
Il#nomme#ce#phénomène#supraconductivité.#Pour#confirmer#la#disparition#totale#de#
résistance,#il#initie#un#courant#électrique#dans#un#anneau#d’étain#rendu#
supraconducteur,#il#observe#effectivement#que#ce#courant#continue#à#circuler#
indéfiniment#.L’année#2011,#centenaire#de#sa#découverte,#a#été##année#mondiale#de#la#
supraconductivité#
#
Document)3):)des)matériaux)sans)résistance)électrique)
#
Le#cube#métallisé#gris#sur##l'affiche#ci3contre#est#un#
aimant.#Il##crée#autour#de#lui#un#champ#magnétique#
qui#travers#tout#matériau#non#magnétique,#comme#la#
pastille#circulaire#située#au3dessous#de#lui.#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##
;#$%&'(!/*!(4,*!@@@0(<%&$-.8;<-,4:4,60A&#
#
Questions))
Question)1)
a) En#utilisant#la#théorie#des#bandes,#expliquer#la#conductivité#électrique#élevée#des#métaux##
B*(!$,.3*(!(.8,!-.8(,4,<6(!;*!8.C$<=!*,!;#6/*-,&.8(!D<4!7&$:4,*8,!$<,.<&0!).<&!D<#<8!3$,6&4$<!
-.8;<4(*!/#6/*-,&4-4,65!4/!A$<,!D<*!;*(!6/*-,&.8(!(.4*8,!-$%$E/*(!;*!(*!;6%/$-*&0!B*(!6/*-,&.8(!%.((';*8,!
<8*!-*&,$48*!D<$8,4,6!;#68*&74*!D<4!*(,!D<$8,4A46*0!F/!*=4(,*!;.8-!;*(!84:*$<=!;#68*&74*!$<=D<*/(!
$%%$&,4*88*8,!/*(!6/*-,&.8(0!!
G!!"#$"%&'#&'#(")'%*'#+)($C$8,!H!6/*-,&.8(I!/*(!6/*-,&.8(!D<4!(#C!,&.<:*8,!%$&,4-4%*8,!$<=!/4$4(.8(!*8,&*!
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/#$<,&*!(4!.8!/*<&!$%%/4D<*!<8!-K$3%!$%%&.%&465!4/(!%$&,4-4%*8,!;.8-!J!/$!-.8;<-,4.8!6/*-,&4D<*!L!-#*(,!/*!
;6%/$-*3*8,!;*!-*(!6/*-,&.8(!D<4!*(,!&*(%.8($E/*!;<!-.<&$8,!6/*-,&4D<*0!
,#!"#$"%&'#0%/'1&0/'#-.#2"3!M!/$!7$33*!;#68*&74*!$<=D<*//*(!/*(!6/*-,&.8(!8#.8,!%$(!$--'(!N4/!8#C!$!%$(!
;*!84:*$<!;#68*&74*!;$8(!-*,,*!7$33*I0!
).<&!/*(!-.8;<-,*<&(5!/*(!E$8;*(!;*!:$/*8-*!*,!;*!-.8;<-,4.8!(*!-K*:$<-K*8,0!O48(45!-*&,$48(!6/*-,&.8(!
(.8,!/4E&*(!;*!(*!;6%/$-*&!;$8(!/$!(,&<-,<&*!-&4(,$//48*!;*(!36,$<=5!-*!D<4!*=%/4D<*!/*<&!7&$8;*!
-.8;<-,4:4,6!6/*-,&4D<*0!-.8;<-,4:4,6!6/*-,&4D<*##
)
b) Qu'est3ce#qui#différencie#un#semi3conducteur#d'un#isolant#dans#la#théorie#des#bandes?#
B$!E$8;*!48,*&;4,*!;#<8!4(./$8,!*(,!%/<(!/$&7*!D<*!-*//*!;#<8!(*34G-.8;<-,*<&0!B*!P!7$%!Q!68*&76,4D<*!
R7!*(,!;*!/#.&;&*!;*!1!*S!%.<&!/*(!(*34G-.8;<-,*<&(!
4"%5#.%#05-)"%/6!/$!;*&84'&*!E$8;*!;*!:$/*8-*!*(,!%/*48*5!*,!/*!7$%!*(,!68.&3*!M!G!4/!8#C!$!;.8-!$<-<8*!
-K$8-*!;#*=-4,*&!<8!6/*-,&.8!%.<&!D<#4/!%$((*!;$8(!/$!E$8;*!;*!-.8;<-,4.8!N/#68*&74*!&*D<4(*!*(,!,&.%!
43%.&,$8,*!*,!A*&$4,!A.8;&*!/*!3$,6&4$<!$:$8,!D<#4/!8*!-.33*8-*!J!-.8;<4&*I0!
7-.1#)'5#5'80,*-%&.*/'.155!J!,*3%6&$,<&*!$E(./<*!8<//*!NT2!U*/:48I!-*!(.8,!;*(!4(./$8,(!M!E$8;*(!;*!
:$/*8-*!%/*48*(5!*,!E$8;*(!;*!-.8;<-,4.8!:4;*(0!>$4(!<8!$%%.&,!;#68*&74*!A$4E/*!N,K*&34D<*!.<!
/<348*<(*I!(<AA4,!J!A$4&*!%$((*&!;*(!6/*-,&.8(!;$8(!/$!E$8;*!;*!-.8;<-,4.8!-$&!/*!7$%!*(,!,&'(!A$4E/*!N;*!
/#.&;&*!;*!/#*SI!M!/*!3$,6&4$<!;*:4*8,!$48(4!-.8;<-,*<&!#
#
c) Pourquoi#un#semi3conducteur#constitué#d'un#monocristal#de#silicium#a3t3il#une#conductivité#quasi#
nulle?##
B#$,.3*!;*!(4/4-4<3!$!D<$,&*!6/*-,&.8(!;*!:$/*8-*!L!4/!6,$E/4,!D<$,&*!/4$4(.8(!$:*-!D<$,&*!$,.3*(!;*!
(4/4-4<3!:.4(48(0!V.<(!/*(!6/*-,&.8(!;*!:$/*8-*!%$&,4-4%$8,!J!;*(!/4$4(.8(5!4/!8#*=4(,*!%$(!;#6/*-,&.8(!
/4E&*(0!B$!-.8;<-,4:4,6!;#<8!3.8.-&4(,$/!;*!(4/4-4<3!*(,!;.8-!D<$(4G8<//*##
#
d) Les#principaux#semi3conducteurs#sont#constitués#de#
réseaux#cristallins#d'atomes#de#silicium,#Si,#ou#de#
germanium,#Ge.#Où#sont#situés#ces#deux#éléments#dans#
la#classification#périodique?#Où#sont#situés#les#métaux?#
B*(!6/63*8,(!W4!*,!X*!(.8,!(4,<6(!;$8(!/$!-./.88*!1Y!;*!/$!
-/$((4A4-$,4.8!%6&4.;4D<*0!B*(!36,$<=!(.8,!(4,<6(!
*((*8,4*//*3*8,!;$8(!/*(!-./.88*(!1!J!1Z#!
!
#
#
#

#
e) Rechercher,#dans#la#classification,#d'autres#éléments#que#le#bore#ou#le#phosphore#pouvant#assurer#
un#dopage#de#type#p#ou#de#type#n.#
B*(!6/63*8,(5!$<,&*(!D<*!/*!E.&*![5!%.<:$8,!$((<&*&!<8!;.%$7*!;*!,C%*!%!(.8,!-*<=!;*!/$!-./.88*!1Z!M!
$/<3484<3!O/5!X$/4<3!X$5!*,-0#
#
f) À#température#ambiante,#l'énergie#d'agitation#thermique#est#d'environ#25#meV.#Pourquoi,#à#
température#ambiante,#un#semi3conducteur#dopé#peut3il#conduire#le#courant#électrique#?#
B#68*&74*!;#$74,$,4.8!,K*&34D<*!J!,*3%6&$,<&*!$3E4$8,*!NH\!3*SI!*(,!(<AA4($8,*!%.<&!%*&3*,,&*!J!<8!
(*34G-.8;<-,*<&!;.%6!;*!-.8;<4&*!/*!-.<&$8,!6/*-,&4D<*0!R8!*AA*,5!%.<&!<8!(*34G-.8;<-,*<&!;.%6!85!/*(!
6/*-,&.8(!/4E&*(!;*!/#6/63*8,!;.%$8,!;.4:*8,!A&$8-K4&!<8*!E$&&4'&*!68*&76,4D<*!;*!/#.&;&*!;*!12!3*S!
%.<&!%$&:*84&!J!/$!E$8;*!;*!-.8;<-,4.80!
"*!3]3*5!%.<&!<8!(*34G-.8;<-,*<&!;.%6!%5!/*(!6/*-,&.8(!;*!/$!E$8;*!;*!:$/*8-*!;.4:*8,!A&$8-K4&!<8*!
E$&&4'&*!68*&76,4D<*!;*!/#.&;&*!;*!12!3*S5!%.<&!-.3E/*&!/*(!,&.<(!;*!/#6/63*8,!;.%$8,.#
B*(!,&.<(!$48(4!-&66(!:.8,!],&*!(<(-*%,4E/*(!;#],&*!E.<-K6(!%$&!;*(!6/*-,&.8(!%&6(*8,(!;$8(!/*!-&4(,$/!-*!
D<4!*(,!J!/#.&4748*!;#<8!-.<&$8,!N!;6%/$-*3*8,!;*!%$4&*!6/*-,&.8(!G!!,&.<(##
#
g) Comment#justifier#que#la#résistance#des#métaux#augmente#lorsque#la#température#croît?#
B$!&6(4(,$8-*!6/*-,&4D<*!;#<8!3$,6&4$<!*(,!/46*!$<=!-K.-(!D<*!/*(!6/*-,&.8(!(<E4((*8,!/.&(!;*!/*<&(!
;6%/$-*3*8,(!;$8(!/*(!3$,6&4$<=!-.8;<-,*<&(0!B.&(D<*!/$!,*3%6&$,<&*!-&.^,5!/$!:4,*((*!;*(!6/*-,&.8(!
$<73*8,*0!B*!8.3E&*!;*!-K.-(!;*(!6/*-,&.8(!%$&!<84,6!;*!,*3%(!$<73*8,*5!-*!D<4!$--&.^,!/$!&6(4(,$8-*!
6/*-,&4D<*!;<!3$,6&4$<.!#
#
h) Exprimer,#en#degré#Celsius,#la#valeur#de#la#température#critique,#Tc,#du#mercure.#
!
W<&!/*!7&$%K*5!.8!/4,!V_!T!Y5H2!`5!(.4,!,_!T!V_!9!HaZ51\!T!Y5H2!9!HaZ51\!T!9!Hbc5?\!d_0!!
#
#
i) Comment,#au#début#de#XX"#siècle,#H.#KAMERLINGH#ONNES#a3t3il#pu#atteindre#une#température#aussi#
basse#pour#refroidir#le#mercure?#
O<!;6E<,!;<!==*!(4'-/*5!e0!`$3*&/487K!f88*(!$!%<!$,,*48;&*!<8*!,*3%6&$,<&*!;*!25?!`5!(.4,!9!HaH51\!
d_5!*8!/4D<6A4$8,!;*!/#K6/4<35!*8!g<4//*,!1?2c#
#
j) Comment#varie#la#résistance#du#mercure#avec#la#température#pour#T>#Tc#et#pour#T<#Tc?#
).<&!V!h!V_5!/$!&6(4(,$8-*!;<!3*&-<&*!$<73*8,*!$:*-!/$!,*3%6&$,<&*0!!
).<&!V!i!V_5!/$!&6(4(,$8-*!;<!3*&-<&*!*(,!8<//*!M!/*!3*&-<&*!*(,!$/.&(!(<%&$-.8;<-,*<&#
#
k) Aujourd'hui,#les#appareils#de#RMN#et#d'IRM#ainsi#qu'un#train#japonais#à#grande#vitesse#utilisent#la#
supraconductivité.#?#Expliquer#pourquoi#?#
B*(!$%%$&*4/(!;*!j>k!*,!;#Fj>!.8,!E*(.48!;*!,&'(!A.&,(!-K$3%(!3$786,4D<*(!%.<&!A.8-,4.88*&0!
R8!A$4($8,!-4&-</*&!<8!-.<&$8,!48,*8(*!;$8(!<8*!E.E48*!(<%&$-.8;<-,&4-*5!.8!%*<,!7686&*&!;*!,*/(!
-K$3%(!3$786,4D<*(0!B*!,&$48!g$%.8$4(!<,4/4(*!/#*AA*,!>*4((8*&!$A48!;*!/6:4,*&!$<G;*((<(!;#<8!&$4/!;*!
-4&-</$,4.8!*,!$48(4!(*!;6%/$-*&!J!7&$8;*!:4,*((*!($8(!A&.,,*3*8,!(<&!/*!&$4/!
#
Bilan))
a) #
Pourquoi#le#dopage#d'un#semi3conducteur#améliore3t3il#sa#conductivité#électrique?#
B*!;.%$7*!;#<8!(*34G-.8;<-,*<&!768'&*!;*(!84:*$<=!;#68*&74*!;$8(!/$!E$8;*!48,*&;4,*!%&.-K*(!;*(!
E$8;*(!;*!:$/*8-*!*,!;*!-.8;<-,4.80!_*/$!$36/4.&*!$48(4!/$!-.8;<-,4:4,6!6/*-,&4D<*!;<!(*34G-.8;<-,*<&!
J!,*3%6&$,<&*!$3E4$8,*#
b) Rappeler#les#principales#propriétés#d'un#matériau#supraconducteur#et#citer#des#applications#qui#en#
découlent#
l8!3$,6&4$<!(<%&$-.8;<-,*<&!$!<8*!&6(4(,$8-*!6/*-,&4D<*!8<//*!*8!;*((.<(!;#<8*!-*&,$48*!
,*3%6&$,<&*!-&4,4D<*0!B*!-.<&$8,!6/*-,&4D<*!%*<,!;.8-!C!-4&-</*&!($8(!$<-<8*!&6(4(,$8-*!*,!4/!8*!
%&.:.D<*!$<-<8!6-K$<AA*3*8,0!
B*(!3$,6&4$<=!(<%&$-.8;<-,*<&(!(.8,!%&48-4%$/*3*8,!<,4/4(6(!;$8(!/*(!$%%$&*4/(!36;4-$<=!Nj>k!*,!
Fj>I!*,!;$8(!/*(!,&$48(!J!/6:4,$,4.8!3$786,4D<*.!
#
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