TP2 spécialité: matériaux semi-conducteurs

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 dans la bande de conduction donc « libres » de se déplacer dans tout le matériau.

2. Y a-t-il des électrons dans la bande de conduction du silicium à T > 0K ? Dessiner alors la répartition électronique dans les bandes 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 des électrons dans le bandes est alors la suivante :

Répartition électronique du silicium condensé à T > 0K Bande de conduction faiblement peuplée Bande de valence faiblement remplie Répartition électronique du silicium condensé à T > 0K

3. A votre avis pourquoi la bande de conduction d’un isolant est-elle toujours vide ? La seule différence avec les conducteurs est la taille du gap : c’est la différence d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction qui est trop grande.

Bande de conduction faiblement peuplée Bande de valence faiblement remplie Semi-conducteur : transfert d’électron possible car gap faible E Bande de conduction vide Bande de valence remplie Isolant : transfert d’électron impossible car gap trop grand

4. Comment évolue la conductivité des semi-conducteurs en fonction de la température ? Elle augmente car plus la température donc 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 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. Dans un réseau de silicium, chaque atome se lie donc à quatre autres atomes de silicium.

7. 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 (400 nm) = 4,97.10-19 J = 3,10 eV > 1,12 eV, c’est bon. E (800 nm) = 2,49.10-19 J = 1,55 eV, cela suffit aussi.

8. Une photorésistance est faite d’un matériau semi-conducteur 8. 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… à condition qu’il y ait des photons donc de la lumière.