CHAPITRE XIII : STRUCTURE DE LA MATIERE
Transcription
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 1/8 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 2/8 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 3/8 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 4/8 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. 5/8 - 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) 6/8 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. 7/8 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. 8/8