Les matériaux semiconducteurs.

Objectifs

Généralités

Cristal

Réseau cristallin

Semiconducteurs

Conclusions


Les matériaux semiconducteurs : 1.2 Généralités.

1.2.1 Le photon

quantité élémentaire d'énergie du rayonnement caractérisée par :

boule rouge Une masse nulle.

boule rouge Son énergie  Eph:

avec : h = constante de PLANCK = 6.626 10-34 J.s. PLANCK

(h barre) hbar = h/2pi = 1.055 10-34 J.s.

boule rouge Son impulsion  p :

avec : c : vitesse de la lumière.

La direction du vecteur p est la direction de propagation du rayonnement.

p est reliée au vecteur d'onde k par la relation de Broglie  Broglie:

1.2.2 L'électron

Particule élémentaire de charge électrique - 1.6 10-19 C. caractérisée par :

boule rouge Sa masse : m0 =  0.9 10-30 kg.

boule rouge Son énergie E (somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle).

boule rouge Son impulsion (quantité de mouvement)  : p = m0 v ( v : vecteur vitesse)

boule rouge La dualité onde corpuscule  : à un électron d'impulsion p on  peut associer une onde telle que vecteur p = h barre vecteur k

boule rouge Pour un électron libre (sans aucune interaction), son énergie cinétique et son impulsion sont reliées par la relation :

L'énergie de l'électron libre varie de façon parabolique et continue par rapport au vecteur d'onde k

1.2.3 L'atome isolé.

boule rouge Propriété des électrons appartenant à un "atome isolé"

Leur énergie ne peut prendre que des valeurs discrètes bien déterminées correspondant à des orbites données caractérisées par 4 nombres quantiques

n : nombre quantique principal : 1, 2, .. (numéro de l'orbite)

l : nombre quantique azimutal l = 0,1,...,n-1

m : nombre quantique magnétique m = 0, +1 -1, ... +l -l

s : spin  s = +1/2,-1/2

les orbites se regroupent en couches (shell) repérées à partir du noyau par le nombre quantique principal n. Première couche K : n = 1, Deuxième couche L : n = 2, Troisième couche M : n = 3 ..... Le nombre maximal d'électrons possible pour la couche n  est 2n2.

L'énergie d'un électron appartenant à la couche n est :

En = - EB/n2

EB = 13.6 eV = 2.18 10-18 J.

key L'unité d'énergie courante est l'électron volt (eV), c'est l'énergie acquise par un électron qui a subi une différence de potentiel de 1 V :

1 eV = 1 Volt * 1.6 10-19 COULOMB = 1.6 10-19 JOULE JOULE

Remarque : un électron situé à une distance infinie du noyau possède une énergie nulle (électron libre). L'énergie est la plus négative quand l'électron occupe la couche la plus proche du noyau : n = 1.

 

Aussi longtemps qu'un électron se maintient sur une orbite donnée, il ne reçoit ni ne perd de l'énergie.

Si un électron reçoit un apport d'énergie extérieure, il peut "sauter" d'un niveau d'énergie Ei à un niveau d'énergie Ej si ce dernier est libre.

Si l'électron "retombe" du niveau Ej au niveau inférieur Ei, il cède l'excès d'énergie en émettant un rayonnement tel que :

 

Deux électrons d'un même système (atome isolé ou atome d'un cristal) ne peuvent se trouver dans le même état caractérisé par les 4  nombres quantiques (principe d'exclusion de PAULI  PAULI).

 

Si l'énergie du système (atome isolé ou solide) est minimale (T = 0 K, pas de perturbation), les électrons présents occupent les niveaux d'énergie les plus bas.

 

boule rouge  Règles de remplissage des couches.

Exemple du Silicium Numéro atomique : Z = 14

On donne généralement les dénominations suivantes  s : l= 0, p : l = 1, d : l=2, f : l= 3 ..

Pour le silicium, les 14 électrons périphériques se répartissent de la façon suivante

 

couche électrons niveaux energie
n=1

couche K

2 places

1s2

n= 2

couche L

8 places

2s2 - 2p6
n =3

couche M

18 places

3s2 - 3p2

 

boule rouge  Les électrons de la couche externe (3s2 - 3p2) jouent un rôle important dans les liaisons et les propriétés chimiques.

boule rouge  Les électrons des couches internes (core) sont fortement liés au noyau et sont "écrantés" de l'extérieur par les électrons de la couche externe.

araignée LEM5 : Livrées à elle-mêmes, toutes choses tendent à évoluer du mal vers le pire.

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Dernière mise à jour : 30 octobre, 2003 Auteur : Bernard BOITTIAUX