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Atomes, ions et énergie

Tableau listant les formules des atomes et des ions ainsi que la configuration électronique de leur état fondamental suivi d'une explication sur les diagrammes d'énergie, en physique quantique, appliqués aux semiconducteurs dopés P et N.

Les éléments

Il existe des moyens mnémotechniques pour retenir les éléments chimiques :

• Lili Bêche Bien Chez Notre Oncle Ferdinand Nestor (Li, Be, B, C, N, O, F, Ne).
• Napoléon Mangea Allègrement Six Poulets Sans Claquer à l'Arrivée (Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar).
• Karine Camoufla une Gazelle Gelée Astreinte à Se Briser au Kremlin (K, Ca, (Sc, Ti, Va, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn,) Ga, Ge, As, Se, Br, Kr).

La taille d'un atome est d'environ 0,1 nanomètre, soit 10^-10 mètres, c'est-à-dire 1 Å. Dans un solide, les atomes vibrent autour de leur position, avec une amplitude de l'ordre de 10^-12 mètres et une fréquence de 10¹³ Hz à température ambiante.

Liste des éléments

Légende

Symboles utilisés :

• obtenu_par_synthèse *
• (pas_encore_observé)
• exception !

Illustrations

Diagrammes d'énergie

Atome simple

Le diagramme d'énergie d'un élément chimique est ancré dans la théorie des quantas selon laquelle un atome ne peut exister que dans certains états d'énergie bien définis.

Le diagramme d'énergie représente ces différents états par des lignes horizontales, numérotées de n=1 à n=infini, avec, en ordonnée, les différents niveaux d'énergie auxquels elles correspondent.

Un élément ne peut passer d'un état à un autre que si un photon lui apporte la quantité exacte d'énergie pour passer d'une ligne à une autre. Si la quantité d'énergie est différente, le photon n'aura aucun effet sur l'élément.

n est appelé « nombre quantique principal ». Il est lié à la quantification de l'énergie de l'électron (par : E_n=-13.6/n² dans le cas d'un hydrogénoïde).
Le niveau n=1 est appelé niveau fondamental. Les autres sont des états excités. Le passage du niveau fondamental à un niveau excité se caractérise par une absorption d'énergie. La transition inverse est une émission lumineuse monochromatique.

Exemple : diagramme d'énergie de l'atome d'Hydrogène :

                                       En (eV)
                                     ^
        n=i -------------------------| 0
                                     |
        n=6 -------------------------| -0.37
        n=5 -------------------------| -0.54
                                     |
        n=4 -------------------------| -0.85
                                     |
                                     |
        n=3 -------------------------| -1.51
                                     |
                                     |
                                     |
        n=2 -------------------------| -3.39
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
        n=1 -------------------------| -13.6

Cristaux

Les premiers travaux de cristallographie sont l'œuvre d'Érasme Bartholin puis de Christiaan Huygens (1690). Celui-ci émet l'idée que les cristaux sont constitués de molécules ou de petites masses qui se répètent selon trois axes de l'espace. Ces travaux sont complétés par Romé de l'Isle (1783), René-Just Haüy et Wollaston (1801). Weiss (1804) et Mohs (1822) en listent les classes de symtrie et Biot puis Fresnel et Arago définissent les sept classes encore utilisées aujourd'hui : cubique, hexagonale, rhomboédrique, quadratique, orthorhombique, monoclinique, triclinique. Les réseaux seront étudiés par Delafosse (1840) et Bravais (1848). En 1984, Schechtman découvre les quasi-cristaux, qui sont des assemblages quasi-périodiques d'atomes.

Du fait de la proximité des atomes entre eux à l'intérieur d'un cristal, ceux-ci perturbent la configuration électronique de leurs voisins. Le diagramme d'énergie d'un atome isolé est donc différent de celui du même atome dans un cristal.

On peut modéliser le comportement électronique d'un cristal par la superposition des diagrammes d'énergie des atomes qui le composent. Ces diagrammes d'énergie sont connus car dans un cristal très pur, tous les atomes sont identiques et ont donc le même environnement électronique.

On observe la présence de différentes bandes dans le diagramme énergétique des cristaux :

• La bande de valence est composée des électrons assurant les liaisons chimiques entre les atomes. En principe, tous les niveaux d'énergie de cette bande sont occupés. En pratique, certains électrons peuvent être extraits de cette bande et passer dans une autre, lorsqu'ils reçoivent suffisamment d'énergie.
• La bande de conduction est constituée par les électrons dont l'énergie est proche de celle du vide. Il s'agit des électrons reponsables du phénomène de conduction électrique. Plus il y en a, meilleur conducteur est le matériau.
• La bande interdite est située entre ces deux bandes. Elle est caractérisée par une énergie ΔW, qui est l'énergie nécessaire à un électron pour passer de la bande de valence à la bande de conduction.

Isolant

La bande de conduction est vide tandis que celle de valence est complète. ΔW vaut plusieurs eV : le diamant, un des meilleurs isolants connus a ainsi ΔW=7eV.

	^  W
	|						^
	|	(bande de conduction : vide)		|
	|						|
	|						|
	|						|
	|						v
	|
	|
	|
	|
	|	(bande interdite)
	|
	|
	|
	|
	|
	|--------------------------------------------	^
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|------ (bande de valence : complète) -------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	v
	|

Métal

Dans un métal, les bandes de valence et de conduction se recouvrent en partie et sont partiellement occupées.

	^  W
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	^
	| - - - (bande de conduction) - - - - - - - -	|
	|- - -  (partiellement occupée)  - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|--------------------------------------------	|	^
	|--------------------------------------------	|	|
	|------ (intersection) ----------------------	|	|
	|--------------------------------------------	|	|
	|--------------------------------------------	v	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 		|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -		|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 		|
	| - - - (bande de valence)  - - - - - - - - -		|
	|- - -  (partiellement occupée)  - - - - - - 		|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -		|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 		v
	|

Cristal semiconducteur : généralités

Un semiconducteur est un corps dont la résistivité σ vérifie :

• 10^-8Ωm<10^-6Ωm<σ<10^-4Ωm<10¹⁰Ωm
• σ diminue lorsque la température augmente

À la différence d'un isolant, l'énergie à fournir à un électron de la bande de valence pour qu'il passe dans la bande de conduction est faible : elle est de l'ordre de grandeur d'un eV. Le nombre d'électrons faisant ce saut croît très vite avec T.

En pratique, on « dope » les semiconducteurs en y ajoutant des « impuretés », c'est-à-dire une infime proportion d'un autre élément (1 g par tonne suffit), de manière à augmenter fortement le nombre de porteurs et donc la conductivité.

Cristal semiconducteur dopé N

Il s'agit d'un ajout d'atomes pentavalents qui vont libérer chacun un électron. En effet, ces atomes vont constituer une bande énergétique intermédiaire dont les électrons auront d'autant plus de facilité à passer dans la bande de conduction que l'énergie nécessaire est petite.

	^  W
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	^
	| - - - (bande de conduction) - - - - - - - -	|
	|- - -  (partiellement occupée)  - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	v
	|	^
	|	^
	|--------------------------------------------	^
	|------ (bande intermédiaire) ---------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	v
	|
	|
	|
	|
	|
	|
	|--------------------------------------------	^
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|------ (bande de valence : complète) -------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	v
	|

Cristal semiconducteur dopé P

Contrairement au cas précédent, il s'agit d'ajouter des atomes trivalents qui vont avoir tendance à attirer les électrons de leurs voisins et donc à propager des lacunes en électrons au sein du matériau (des « trous »). Les électrons auront alors tendance à passer de la bande de valence à la bande intermédiaire.

	^  W
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	^
	| - - - (bande de conduction) - - - - - - - -	|
	|- - -  (très peu occupée) - - - - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	v
	|
	|
	|
	|
	|
	|
	|--------------------------------------------	^
	|------ (bande intermédiaire) ---------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	v
	|	^
	|	^
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	^
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	|
	| - - - (bande de valence)  - - - - - - - - -	|
	|- - -  (partiellement occupée)  - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	v
	|

Cette page en français a été créée par Peter à partir de sources multiples, 15 juin 1999 et modifiée pour la dernière fois 25 août 2020. Son avancement est noté 2/3.

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