Semi-conducteur, conducteur, isolant

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Numéro atomique :

Tous les éléments trouvent place dans le tableau périodique des éléments et sont classésdans l’ordre de leur numéro atomique. Le numéro atomique équivaut au nombre deprotons du noyau, qui correspond également au nombre d’électrons pour un atomeéquilibré électriquement (neutre). Par exemple, le numéro atomique de l’hydrogène est 1et celui de l’hélium est 2. Dans leur état normal (ou neutre), tous les atomes d’un élémentdonné possèdent le même nombre de protons que d’électrons, de sorte que les chhargespositives sont neutralisées par les charges n égatives. Ainsi, la hargec nette de l’atome estnnulle.

Couche d’électron et orbite :

Les électrons gravitent autouur du noyau d’un atome à certaines distanc es de celui-ci. Les électrons près du noyau po ssèdent moins d’énergie ueq ceux situés sur des orbites plus éloignées. Il n’existe que des quantités d’énergieélectronique discrètes (sépaes et distinctes) à l’intérieur des structures atomiques. Les électrons doivent donc demeurer en orbite seulement à ces distances du noyau.

Niveau d’énergie :

À chaque éloignemennt distinct (orbite) du noyau correspond un certain niveau énergétique. Dans un atomee, les orbites sont regroupées en bandes énnergétiques appelé couches. Un atome donné possède un nombre fixe de couchesChaque. couche possède un nombre maximal fixe d’électrons pour des niveaux d’énergieadmissiibles (orbites). Les différences entre les niveaux d’énergie à l’intérieur d’unecouche sont beaaucoup plus petites que la différence d’énergie entre les couches. Lescouches sont désignéesK, L, M, N, et ainsi de suite, K étant celle la plusprès du noyau.Ce concept énergétique est illustré à la figure 2, qui montre la couche K avec un niveaud’énergie et la couche L avec deux niveaux d’énergie. Des couches additionnellespeuuvent exister pour d’autres types d’atomes sellon l’élément

Électrons de valence :

Les électrons sur les orbites plus éloignées du noyau ont une énergie plus grande et sontmoins fortement liés à l’atome que ceux situés plus près du noyau. Ceci s’explique du faitque la force d’attraction entre les charges positives du noyau et les charges négatives des électrons diminue à mesure qu’on s’éloigne du noyau. Les électrons avec les niveaux d’énergie les plus élevées existent dans la couchela plus éloignée d’un atome et sont relativement moins liés à cet atome. La couche la plus éloignée est connue sous le nom de couche de valence et les électrons dans cette couche sont appelés électrons de valence.
Ces électrons de valence contribuent aux réactionschimiques et aux liaisons à l’intérieur de la structure d’un matériau, déterminant ses propriétésélectriques.

Ionisation :

Lorsqu’un atome absorbe de l’énergie d’une source de chaleur ou de lumière, les niveaux énergétiques des électrons sont augmentés. Lorsqu’un électron acquiert de l’énergie, il se déplace vers une orbite plus éloignée du noyau. Puisque les électrons de valence possèdent plus d’énergie et qu’ils sont moins étroitement liés à l’atome que les électrons situés à proximité du noyau, ils peuvent bondir vers des orbites supérieures plus facilement lorsqu’une énergie externe est absorbée.
Si un électron de valence reçoit une quantité suffisante d’énergie, il peut en fait s’échapper de la couche extérieure et de l’emprise de l’atome. Le départ d’un électron de valence laisse un atome, précédemment de charge neutre, avec un excédent de charge positive (plus de protons que d’électrons). Le processus de la perte d’un électron de valence est appelé ionisation, l’atome résultant de charge positive étant appeléoni positif.
Par exemple, le symbole chimique de l’hydrogène est H. Lorsqu’il perd son électron devalence et qu’il devient un ion positif, on le désigne alors H+. L’électron de valence quis’est échappé est appelé électron libre. Lorsqu’un électron libre chute vers la coucheextérieure d’un atome d’hydrogène neutre, cet atome devient chargé négativement(Plus d’électrons que de protons) et est appelé ion négatif, désigné H−.

Semi-conducteur, conducteur, isolant :

Conducteur :

Un conducteur est un matériau qui conduit aisément le courant électrique. Les meilleurs conducteurs sont des matériaux constituésd’un seul élément comme le cuivre, l’argent, l’or et l’aluminium, ces éléments étant aractérisés par des atomes ayant un seul électron de valence faiblement lié à l’atome. Ces électrons de valence peu retenus peuvent facilement se détacher de leur atome respectif et devenir des électrons libres. Par conséquent, un matériau conducteur possède beaucoup d’électronslibres qui, lorsqu’ils se déplacent tous dans la même direction, engendrent le courant.

Isolant :

Un isolant est un matériau qui ne conduit pas le courant électrique sous des conditions normales. La plupart des bons isolants sont des matériaux composés de plusieurséléments, contrairement aux conducteurs. Les électrons de valence sont solidementrattachés aux atomes, laissant très peu d’électrons libres de se déplacerdans un isolant.

Semi-conducteur:

Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d’un isolant, mais pour lequel la probabilité qu’un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. En d’autres termes, la conductivité électrique d’un semi-conducteur est intermédiaire ntre celle des conducteurs et celle des isolants.
Le comportement des semi-conducteurs, comme celui des métaux et des isolants est décrit via la théorie des bandes. Ce modèle stipule qu’un électron dans un solide ne peut prendre que des valeurs d’énergie comprises dans certains intervalles que l’on nomme « bandes », plus spécifiquement bandes permises, lesquelles sont séparées par d’autres « bandes » appelées bandes d’énergie interdites ou bandes interdites.

Bande d’énergie :

Rappelons que la couche de valence d’un atome représente une bande d’un certain niveauénergétique et que les électrons de valence onts confinés à cette bande. Lorsqu’un électronacquiert assez d’énergie additionnelle d’une source externe, il peut quitter la couche de valence,devenir un électron libre et exister dans ce que l’on désigne comme étant la bande de conduction.En termes d’énergie, la différence entre la bande de valence et la bande de conduction estappelée une bande interdite. Il s’agit en fait de la quantité d’énergie que doit avoir un électronpour sauter de la bande de valence vers la bande de conduction. Une fois dans la bande deconduction, l’électron est libre de se déplacer à travers le matériau et n’est plus lié à aucunatome particulier.
La figure3 montre les diagrammes d’énergie pour un isolant, un semi-conducteur etun conducteur. Notez à la partie a) le vaste écart énergétique entre les bandes. Les électrons devalence ne peuvent sauter vers la bande de conduction sauf lors d’une détérioration provoquéepar des tensions extrêmement élevées appliquées au matériau. À la partie b), on remarquequ’un semi-conducteur possède une bande interdite plus restreint, permettant à quelquesélectrons de sauter vers la bande de conduction et de devenir des électrons libres. Par contraste,la partie c) illustre les bandes énergétiques se chevauchant dans un conducteur. Dans unmatériau conducteur, il existe toujours un grandnombre d’électrons libres.
Deux bandes d’énergie permises jouent un rôle particulier:
· la dernière bande complètement remplie, appelée « andeb de valence »
· la bande d’énergie permise suivante appelée « bandede conduction »

Quelques atomes semi-conducteurs :

Le silicium et le germanium sont des atomes semi-conducteurs. Le silicium est le matériau le plus largement utilisé pour les diodes, les transistors, les circuits intégrés et autres composants à semi-conducteurs. Notez que le silicium et le ger manium ont en commun la même caractéristique: quatre électrons de valence.
Figure 4 : Atome de silicium et de germanium
Les électrons de valence du germanium se situent dans la quatrième couche tandisque ceux du silicium sont dans la troisième couche, plus près du noyau. Cela signifie queles électrons de valence du germanium sont à des niveaux d’énergie supérieurs à ceux dusilicium. Par conséquent, ils demandent une plus petite quantitéd’énergie additionnellepour s’échapper de l’atome. Cette propriété rend le germanium plus instable à destempératures élevées; c’est la raison principale pour laquelle le silicium est le matériausemi-conducteur le plus largement utilisé.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : Etude théorique
I. Introduction aux semi-conducteurs [11],[14],[14]
A. Structure des atomes
B. Semi-conducteur, conducteur, isolant
C. Les transistors bipolaires :[12],[16]
II. Notion sus les capteurs
Type de détection
III. Quelques composants électriques :[8],[12],[16]
Chapitre II : Conception et réalisation des matériels
Chapitre III : Exploitations des matériels en cinq travaux pratiques.
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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