Transcription
[Musique] les 29 électrons de l'atome de cuivre sont en mouvement incessant autour du noyau. tous sont liés à lui par une force électrique d'attraction. tous hormis ce 29e qui navigue en périphérie, loin du noyau et s'en libère facilement. c'est un électron libre.
les électrons libres n'appartiennent plus aux atomes, mais au métal dans son ensemble. ils sont mobiles et se déplacent de proche en proche. leur circulation est désordonnée, mais il suffit d'appliquer une différence de potentiel pour qu'il prennent une direction commune. c'est ce mouvement d'ensemble qui constitue le courant électrique. on voit que quelques pourcent seulement des électrons participent à la conductivité. ils se déplaceent à la vitesse d'un m par heure environ. le courant électrique dans un métal est une lente circulation d'électrons libres, et ceci est vrai pour tous les métaux.
pourquoi sont-ils conducteurs alors que d'autres matériaux sont isolants ? c'est la théorie des bandes qui fournit [Musique] l'explication. en partant d'un atome isolé, construisons un réseau d'atomes afin d'aboutir au métal solide. les électrons de l'atome isolé possèdent des niveaux d'énergie bien définis, quantifiés. si un deuxième atome vient se loger à côté, les électrons des deux atomes atomes interagissent entre eux, ce qui entraîne un léger décalage de leur niveau d'énergie. ce décalage est une conséquence du principe d'exclusion de Paoli, qui veut que deux électrons ne peuvent avoir le même état quantique et donc ils ne peuvent pas avoir le même état énergétique. au fur et à mesure que l'édifice cristallin se constitue, les niveaux se démultiplient en une étendue continue d'État possible. la notion de configuration électronique s'efface pour laisser la place à la théorie des bandes.
oublions les électrons de cœur très proches du noyau et chimiquement inactif, et intéressons-nous aux électrons périphériques qui peuvent se situer dans deux bandes d'énergie permises : la bande de Valance et la bande de conduction. c'est la position respective de ces deux bandes qui va classer le matériau soit conducteur, soit isolant, soit encore semi-conducteur.
le conducteur d'abord. revenons au cuivre, matériau conducteur par excellence. son 29e électron est localisé dans la bande de valence, mais comme il est libre, il est aussi dans la bande de conduction. ce chevauchement des deux bandes caractérise un matériau conducteur. les électrons libres s'y trouvent sans aucun apport d'énergie.
dans un isolant maintenant, comme le carbone diamant, tous les électrons servent aux liaison entre atomes. la bande de Valance est complètement rempli d'électrons et la bande de conduction est vide. les deux bandes sont séparées par une large bande interdite, un gap de 5,5 EV. pour faire monter un électron de la bande de valence dans la bande de conduction, il faut chauffer le matériau isolant de plusieurs centaines de degrés ou l'éclairer avec des photons très énergétiques (ultraviolet ou rayons X).
enfin, dans un semi-conducteur, comme le germanium ou le silicium, la bande interdite existe encore, mais sa largeur est beaucoup plus faible : 0,7 EV pour le germanium et 1,1 eV pour le silicium. une petite excitation par chauffage ou par rayonnement solaire peut faire passer l'électron dans la bande de conduction et conduire le courant. notons que le dernier état d'énergie occupé par les électrons s'appelle le niveau de fermie. dans un conducteur, il est localisé dans la bande de chevauchement. dans un isolant ou un semi-conducteur, il est dans la bande interdite.
la théorie des bandes d'énergie est très utile car elle permet de modéliser le comportement ctronique des matériaux. prenons l'exemple du dopage des semi-conducteurs. en ajoutant de petites impuretés au semi-conducteur, on fait apparaître des niveaux d'énergie là où il n'y en avait pas dans la bande [Musique] interdite. on peut ainsi moduler la conductivité. on mesure tout l'intérêt de ces vannes électroniques qui permettent d'imposer la valeur du courant et donc de créer les fameux circuits électroniques apparus dans les années 1960 et que nous utilisons tous les jours. [Musique]