Les avancées théoriques, en physique, ont permis de montrer pourquoi certains matériaux laissaient passer le courant, d’autres lui faisaient barrière, et d’autres encore étaient semi-conducteurs.
I) Les conducteurs, isolants et semi-conducteurs
1) La théorie des bandes et la conductivité
Le caractère conducteur ou isolant des matériaux prend sa source dans la structure même des atomes et la configuration de leurs électrons.
Les électrons de valence, situés sur les couches externes de l’atome, permettent aux atomes de se lier entre eux. Les électrons libres ou électrons de conduction sont responsables de la circulation du courant électrique.
En physique quantique des solides, on peut schématiser l’énergie des électrons sous la forme de bandes d’énergie. La dernière bande d’énergie, complètement remplie d’électrons, est appelée bande de valence, et la suivante, qui n’est pas remplie, bande de conduction. Entre les deux se trouve une zone appelée bande interdite ou « gap ». C’est cette bande qui fixe les propriétés électriques des matériaux.
Doc 1 Diagrammes énergétiques de trois types de matériaux
2) Le passage d’une bande d’énergie à l’autre
Lorsqu’on apporte de l’énergie à un matériau, par chauffage ou par éclairement, certains électrons peuvent passer de la bande de valence à la bande de conduction.
Pour un conducteur, les bandes de valence et de conduction se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer d’une bande à l’autre librement. Le courant peut circuler. C’est le cas par exemple du cuivre, de l’argent ou de l’or.
Pour un isolant, les bandes sont très éloignées l’une de l’autre, d’environ 6 eV (électron-volt). Les électrons ne peuvent pas circuler d’une bande à l’autre.
Pour un semi-conducteur, le gap existe mais il est plus petit que pour un isolant. Il est par exemple de 1,12 eV pour le silicium. Il peut donc devenir conducteur, si on l’éclaire par exemple, ce qui excite les électrons de valence. Les semi-conducteurs élémentaires sont le silicium (Si) et le germanium (Ge).
II) Les spectres des semi-conducteurs
1) Le spectre d’absorption des semi-conducteurs
L’écart entre la bande de valence et la bande de conduction d’un semi-conducteur vaut environ 1 eV. Or 1 eV correspond à l’énergie d’une radiation de longueur d’onde d’environ 1 200 nm.
Les spectres d’absorption du document 2 montrent que la plupart des semi-conducteurs absorbent des longueurs d’ondes inférieures à 1 200 nm, donc suffisantes pour passer le gap et permettre la circulation des électrons.
Doc 2 Absorption des semi-conducteurs en fonction de la longueur d’onde
2) Pourquoi fabriquer des panneaux solaires avec du silicium ?
Le spectre d’émission du Soleil correspond aux longueurs d’ondes absorbées par le silicium. Toutes les longueurs d’ondes inférieures à 1 100 nm (visible et proche infrarouge) peuvent être absorbées par le silicium et permettre aux électrons de la bande de valence de passer dans la bande de conduction.
À noter
Le germanium (Ge) absorbe également les longueurs d’onde inférieures à 1 100 nm, mais il est plus sensible aux hautes températures, plus cher et moins abondant que le silicium.
Doc 3 Spectre d’émission du Soleil et spectre d’absorption du silicium
