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Propriétés des matériaux semi-conducteurs. 1) Expliquer la présence d’électrons libres dans les métaux à partir du diagramme de bandes. Pour les métaux,

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1 Propriétés des matériaux semi-conducteurs

2 1) Expliquer la présence d’électrons libres dans les métaux à partir du diagramme de bandes. Pour les métaux, bandes de valence et de conduction se superposent, il existe des électrons libres de se déplacer dans tout le matériau. Bande de conduction vide Bande de valence remplie Bandes de valence et de conduction superposées Répartition électronique dans un isolant Répartition électronique dans un métal E E

3 2) Y a-t-il des électrons dans la bande de conduction du silicium à T > 0K ? Donner la répartition électronique du silicium condensé à T > 0K. Pour T > 0K l’agitation thermique donne l’énergie suffisante à certains électrons de la bande de valence pour passer dans la bande de conduction. La répartition électronique est alors la suivante : Bande de conduction faiblement peuplée Bande de valence partiellement remplie E

4 3) A votre avis pourquoi la bande de conduction d’un isolant est-elle toujours vide ? La seule différence est la taille du gap : Le gap est l’écart d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction. Bande de conduction faiblement peuplée Bande de valence partiellement remplie Bande de conduction vide Bande de valence remplie Isolant : transfert d’électron impossible car gap trop grand Semi-conducteur : transfert d’électron possible car gap faible

5 4) Comment évolue la conductivité des semi-conducteurs en fonction de la température ? Elle augmente car plus l’agitation thermique est importante plus il y a d’électrons dans la bande de conduction. 5) Le silicium et le germanium sont de bons exemples de semi-conducteurs. Que peut-on dire de leurs positions dans la classification de Mendeleïev ? Si et Ge sont dans la même colonne, ils ont des propriétés physico-chimiques similaires. 6) Le numéro atomique du silicium est Z = 14. Donner la structure électronique du silicium. Combien d’électrons de valence possède-t-il ? Combien de liaisons covalentes va-t-il former ? Structure électronique : (K) 2 (L) 8 (M) 4 Si possède 4 électrons de valence. Il peut former 4 liaisons covalentes car il lui en manque 4 pour saturer sa couche externe. Dans un réseau de silicium, chaque atome se lie donc à quatre autres atomes de silicium.

6 7) Représenter le déplacement des électrons libres et des trous dans le silicium soumis à une différence de potentiel :

7 8) L’énergie apportée par un photon visible serait-elle suffisante pour permettre à un électron du silicium de franchir le gap entre la bande de valence et la bande de conduction ? E g minimum nécessaire à l'électron pour passer de la bande de valence à la bande de conduction, est de 1,12 électron-volt (1eV = 1,60  J) Donc E g = 1,12 × 1, = 1, J L’énergie d’un photon est liée à sa longueur d’onde par la relation : Pour franchir le gap avec un minimum d’énergie, il faut donc un photon de longueur d’onde : Les photons visibles ont des longueurs d’ondes comprises entre 400 et 800 nm, soit et m. Ils auront donc une énergie supérieure et permettront de franchir le gap.

8 9) Une photorésistance est faite d’un matériau semi-conducteur. Une photorésistance est une résistance dont la valeur diminue lorsqu’elle est éclairée. Comment l’expliquez- vous ? L’énergie apportée par les photons est absorbée par les électrons qui peuvent alors passer dans la bande de conduction. Le matériau résiste alors moins au passage du courant, sa résistance est plus faible.


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