Probleme semi conducteurs

[invite1908ffe4]

Bonjour,
Je travail actuellement sur un TPE. Mon sujet est basé sur les cellules photovoltaïques donc obligatoirement sur les semi conducteurs.
Après quelques semaines de naviagtion, il reste une question que je n'arrive a résoudre : On entend parler de bande de conduction, de bande interdite et de bande de valence; puis dans le cadre de jonction PN de bande P et bande N. Ma question étant est ce que cela a un rapport? Est ce les memes choses? et si non pourriez vous m'indiqué la difference... A noter que je suis en terminal S et ne suis pas un expert en électricité électronique.
Je vous remercie de votre réponse.
-----

[invitea3fc981a]

La théorie des bandes est primordiale en physique du solide, et pour bien interpréter ce qui se passe dans les métaux et semi-conducteurs. Pour faire simple, il existe des niveaux d'énergie dans un atome, que l'on peut représenter ainsi :

---------------- E_I = énergie d'ionisation


---------------- E₃

---------------- E₂
---------------- E₁
---------------- E₀ = énergie de l'état fondamental

Attention cependant : chaque état d'énergie représente une orbitale atomique, ce ne sont donc pas simplement les niveaux n=1, n=2 etc. comme on le voit dans le modèle de Lewis en chimie. Ici chaque niveau peut accueillir 2 électrons.


De même, il existe des niveaux d'énergie dans un solide évidemment puisque celui-ci est constitué d'atomes. Seulement comme les atomes sont liés entre eux, parfois de manière "tordue" (hybridations...), si on représente les niveaux d'énergie dans un solide on obtient quelque chose de très compliqué : ils ne seraient plus droits ci-dessus, mais formeraient des courbes qui montent et descendent, et parfois se croisent. Ce sont ces "courbes" que l'on appelle bandes d'énergie, et de même que pour un atome chaque bande peut accueillir 2 atomes.

Les bandes remplies d'électrons (donc ayant 2 électrons) sont appelées bandes de valence ; en gros les électrons qui s'y trouvent participent aux liaisons entre les atomes. Et les autres bandes, ayant 1 ou aucun électron, sont appelées bandes de conduction : les électrons qui s'y trouvent sont mobiles et peuvent bouger d'un atome à l'autre si on leur applique un champ approprié, autrement dit ils participent à la conduction électrique ; c'est le déplacement de ces électrons là qui est responsable du courant électrique.

Lorsqu'il y a, entre les bandes de valence et de conduction, toute une gamme d'énergie auxquelles les électrons n'ont pas accès (il n'y a pas de niveau d'énergie dans cette gamme), on parle de bande interdite ou gap. Pour résumer, la structure de bande d'un solide peut être vue ainsi :

/|\ Energie
|
|
| Bandes de conduction
|
|----------------------------
|
| Gap
|
|----------------------------
| Bandes de valence
|_________________________


Dans un métal, le gap est nul ; il y a continuité entre les bandes de valence et celles de conduction, il y a donc toujours des électrons susceptibles de conduire le courant. Dans un isolant, la dernière bande de valence est pleine, et le gap est énorme : il n'y a donc aucune chance d'exciter un électron pour qu'il passe dans la bande de conduction (l'énergie requise est trop importante et ferait fondre le matériau avant qu'il ne commence à conduire). Pour les semiconducteurs, à température nulle (=0 Kelvin) ce sont des isolants : bandes de valence pleines, et bandes de conduction vides. Mais à température non nulle, l'excitation thermique suffit à faire passer des électrons dans la bande de conduction car le gap est très faible (de l'ordre de l'eV) : le matériau devient ainsi conducteur (et plus on augmente la température, plus il y a d'électrons excités dans la bande de conduction, donc mieux le matériau conduit). L'intérêt ? Les semi-conducteurs offrent une résistance au courant bien moindre que les métaux.


Pour améliorer encore la conduction des semiconducteurs, on peut les doper, c'est-à-dire leur ajouter un autre atome à une certaine concentration, dont une bande d'énergie va se trouver exactement dans la bande interdite du semi-conducteur. Ainsi, dans le cas d'un semi-conducteur dopé N, le dopant va ajouter une bande d'énergie dotée d'électrons près de la bande de conduction :

/|\ Energie
|
|
| Bandes de conduction
|----------------------------
|---------------- Bande d'énergie de l'élément dopant N
|
| Gap
|
|----------------------------
| Bandes de valence
|_________________________


Dans le cas d'un dopage P, le niveau d'énergie ajouté se situera près de la bande de valence et sera doté de trous, c'est-à-dire que cette bande agira comme un ion positif manquant d'électrons. Le but du dopage : offrir un niveau donneur d'électrons (dopage N) ou receveur d'électrons (dopage P) auquel les électrons pourront accéder facilement ; pour atteindre un niveau de conduction les électrons auront besoin de moins d'énergie que pour franchir tout le gap du semi-conducteur.


Voilà pour un petit aperçu de la notion de bandes, si tu veux des explications sur les interfaces PN n'hésite pas !

[invite1908ffe4]

Merci pour cette excellent exposé. Une question me reste cependant, pourquoi, si plus la temperature est élevé plus le semi conducteur conduit, dit on que les panneaux solaires ne doivent pas être trop chaud pour une utilisation optimale?

[invitea3fc981a]

Ah, je croyais que ce topic avait été oublié et je trouvais ça dommage car j'avais passé pas mal de temps à écrire ma réponse !

Pour ce qui est des panneaux solaires je n'en connais pas le fonctionnement exact, mais a priori je dirais que les capteurs sont effectivement faits de matériau semiconducteur, mais il n'y a pas que ç, il doit aussi y avoir des circuits métalliques qui véhiculent le courant jusqu'à la sortie ; comme la conductivité d'un métal baisse avec la température, c'est peut-être ça qui limite le rendement...

Cela dit je n'affirme rien, il faudrait demander à un vrai spécialiste.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite1908ffe4]

Non je me suis beaucoup inspiré de cette réponse. Je peux meme dire qu'elle est à la base d'une partie entière de mon TPE. Encore une fois merci. Pour ce qui est de la température je n'ai pas trouvé de réponse, je laisserai donc cette question sans réponse, si quelqu'un passe et connais la réponse qu'il nous instruise . Si un professeur pose la question je tenterais l'hypothese emise au dessus... Encore merci

[invite7ce6aa19]

Ah, je croyais que ce topic avait été oublié et je trouvais ça dommage car j'avais passé pas mal de temps à écrire ma réponse !

Pour ce qui est des panneaux solaires je n'en connais pas le fonctionnement exact, mais a priori je dirais que les capteurs sont effectivement faits de matériau semiconducteur, mais il n'y a pas que ç, il doit aussi y avoir des circuits métalliques qui véhiculent le courant jusqu'à la sortie ; comme la conductivité d'un métal baisse avec la température, c'est peut-être ça qui limite le rendement...

Cela dit je n'affirme rien, il faudrait demander à un vrai spécialiste.

Félicitations konrad pour le temps que tu as consacrer a ton exposé.

Je continues ton exposé mais pas avec la même qualité

1- Donc on fabrique une jonction PN en juxtaposant Un semiconducteur de type N et un semi-conducteur de type P


2- Pour que les 2 systèmes soient a l'equilibre thermodynamique il y a un transfert de charges de sorte que le niveau de Fermi soit constant. il en resulte a l'interface un champ électrique localisée sur une courte distance.

3- On éclaire la jonction PN a une énergie supérieure au gap du matériau. il y a création d'une paire électron(charge négative) trou (charge positive). Comme on se trouve dans un champ electrique, la charge négative sort de la jonction d'un coté la charge positive de l'autre.

4- La charge négative parcours le circuit extérieur provoquant un courant qui va se recombiner avec la charge positive.

5- c'est ca l'effet photovolataîque. La tension est de l'ordre du gap soit 1eV soit 1V

mariposa

[invite25882fc1]

Salut,
J'aurais voulu savoir juste une chose: vous dite que plus on chauffe un semi-conducteur et plus il est conducteur c'est sa? j avais lu quelque part qu'on refroidissait énormement pour réaliser les supraconducteur... à mon avis je doit dire une connerie lol

[inviteca4b3353]

Salut

Salut,
J'aurais voulu savoir juste une chose: vous dite que plus on chauffe un semi-conducteur et plus il est conducteur c'est sa? j avais lu quelque part qu'on refroidissait énormement pour réaliser les supraconducteur... à mon avis je doit dire une connerie lol

La "semi-conductivité" et la supraconductivité sont deux types complètement différents de transport électronique dans la matière. Donc ce que tu dis est juste mais n'a pas sa place dans ce fil. Essaye de faire une recherche sur la supraconductivité sur le forum. Il doit y avoir un dossier sur futura il me semble aussi.
@bientôt

KB

[invite2955b189]

Salut,
J'aurais voulu savoir juste une chose: vous dite que plus on chauffe un semi-conducteur et plus il est conducteur c'est sa? j avais lu quelque part qu'on refroidissait énormement pour réaliser les supraconducteur... à mon avis je doit dire une connerie lol

D'après le peu que j'en sais, plus la température va monter, plus le nombre de porteurs va augmenter dans la bande de conduction du semiconducteur, ce qui améliore sa conductivité.
Par contre dans les métaux, la température n'augmente pas le nombre de porteurs dans la Bande de conduction, car elle n'arrache aucun électron de la Bande de valence. Mais lorsque la température augmente, les electrons de la bande de conduction acquièrent d'avantage d'énergie, ce qui les accélère, et par la même occasion, multiplie les collisions, et donc diminue la longueur de parcours moyen entre deux collisions. Cela va se traduire par une dégradation de la conductivité. Pour améliorer la conductivité dans les métaux (et non les semiconducteurs), on a donc intérêt à plutôt baisser la temperature. Bon, c'est sur que la supraconductivité a d'autres explications disons, plus scientifiques, mais pour ça, il faudrait peut-être dans un autre fil.
Merci de me corriger si ma compréhension est erronée.

[invite7ce6aa19]

D'après le peu que j'en sais, plus la température va monter, plus le nombre de porteurs va augmenter dans la bande de conduction du semiconducteur, ce qui améliore sa conductivité.
Par contre dans les métaux, la température n'augmente pas le nombre de porteurs dans la Bande de conduction, car elle n'arrache aucun électron de la Bande de valence. Mais lorsque la température augmente, les electrons de la bande de conduction acquièrent d'avantage d'énergie, ce qui les accélère, et par la même occasion, multiplie les collisions, et donc diminue la longueur de parcours moyen entre deux collisions. Cela va se traduire par une dégradation de la conductivité. Pour améliorer la conductivité dans les métaux (et non les semiconducteurs), on a donc intérêt à plutôt baisser la temperature. Bon, c'est sur que la supraconductivité a d'autres explications disons, plus scientifiques, mais pour ça, il faudrait peut-être dans un autre fil.
Merci de me corriger si ma compréhension est erronée.

Pour les semiconducteurs ton explication est correcte. pour le métaux c'est pas cà: En augmentant la température les vibrations du réseau cristallins augmentent ce qui diminue le libre parcours moyen (ce mécanisme existe pour les semiconducteurs mais cest l'effet de l'augmentation du nombre de porteurs qui l'emporte).

Quand a la supraconductivité c'est tout autre chose, il faut avoir un bon niveau de MQ pour comprendre.