Titre de l’activité d’apprentissage: Theorie des bandes et proprietes optiques. Vous aurez besoin de 20 heures pour faire complètement cette activité.
Résumé de l’activité d’apprentissage.
Ce modèle consiste en deux parties : Théorie des bandes et propriétés optiques. Les éléments de base de l’activité inclut l’apprentissage de : la structure des bandes électroniques dans laquelle les conducteurs, les isolants et les semi-conducteurs en font partie. Plus d’apprentissage est sur le dopage, le niveau de Fermi, et les bandes d’énergie dans les corps solides. Sous les propriétés optiques, le sujet enseigné inclut
l’absorption et le coefficient d’extinction, la réflectivité et la transmittance. Les objectifs d’apprentissage des modules requièrent que les étudiants soient capables de:
(i) Décrire la théorie des bandes,
(ii) Expliquez les différences entre les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants,
(iii) Expliquez les différences entre les semi-conducteurs intrinsèques et les semi-conducteurs extrinsèques sur le rôle du dopage.
Les objectifs pour l’apprentissage des propriétés optiques sont de permettre les étudiants de :
(i) Expliquer, la base sur l’interaction des ondes électromagnétiques (lumière) et matériaux, l’absorption, la réflectivité et la Transmittance.
Liste de Lectures Obligatoires Lecture 4: Capacité Thermique
Référence Compléte : From Wikipedia, the free encyclopedia. URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_capacity
Consultée le 20 Avril 2007
Résumé: La capacité thermique est définie et quantitativement décrite pour les corps compressibles. La capacité thermique massique est définie et les modèles théoriques sont décrits. La capacité thermique à des tempé-ratures variées est décrite.
Justification: Ce matériel complètela section dans la troisième activité des propriétés thermiques. Des liens sont fournis pour plus de lecture. Lecture 5: Conductivité Électrique.
Référence Compléte: From Wikipedia, the free encyclopedia. URL : http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_Conductivity Accédé le 24 Avril 2007
Résumé : La classification des matériaux par conductivité, quelques dépendances typiques de température de conductivités électriques sont discutées. Des liens avec d’autres sites sont aussi fournies.
Justification: Ce matériel complète la section dans la troisième activité des propriétés électriques. Des liens sont fournis pour plus de lecture. Liste des Ressources Multimédias Utiles
Ressource#1
Titre: Fermi Level and carrier concentration
URL: http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/ intro.html
Description: Ceci fournit de bonnes notes d’introduction et une simulation du niveau de Fermiet la concentration du porteur
Date de consultation: 16/11/2007
Liste de Liens Utiles Pertinents
Titre: Bandes d’Énergie
URL: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
Capture d’écran:
small compared to that in doped semiconductors under the same conditions.
Click on any part of the illustration for further information.
Description: Ceci fournit du matériel de lecture adéquat sur la théorie des solides : commentaires sur les bandes d’énergie ; bandes d’énergie d’isolants ; bandes d’éner-gie des semi-conducteurs ; bandes d’énerd’éner-gie des conducteurs ; bandes d’énerd’éner-gie des
silicons…
Date de consultation : 16/11/2007
Activité 4.1 Structure des bandes électroniques
Dans cette activité, vous allez définir, décrire et discuter quelques termes de base, en relation avec les métaux, les semi-conducteurs et les isolants. Au fur et à mesure que vous progressez avec votre étude, vous serez requis à fournir des réponses à quelques questions qui sont posées dans cette activité.
(1) L’activité est d’abord introduite en donnant des définitions de quelques termes clés tels que la structure des bandes.
(i) Dans la physique des solides, la structure des bandes électroniques (ou tout simplement structure des bandes) d’un solide décrit les plages d’énergie qu’un électron est ‘’interdit’’ ou ‘’permis’’ d’avoir.
(ii) La structure de bandes détermine les propriétés électriques, optiques et autres d’un matériau.
(2) Faits de base sur la formation des bandes. A partir de votre lecture, vous allez noter que:
(i) Les électrons d’un atome isolé occupent les orbitales atomiques, qui forment un ensemble discret de niveaux d’énergie
v (DANS CETTE AFFIRMATION, QUE VEUT T-ON DIRE PAR : orbitale atomique et ensemble discret de niveaux d’énergie ?)
(ii) Dans une molécule, où il y a beaucoup d’atomes, leurs orbitales atomiques se divisent à cause du principe d’exclusion de Pauli.
v (EX PLIQUEZ QU’EST-CE LE PRINCIPE D’EXCLUSION DE PAULI) (iii) En conséquence, un nombre d’orbitales moléculaires proportionnel aux
nombres d’atomes est produit.
(iv) Dans les corps solides, le nombre d’orbitale est extrèment grand,
v (Pourquoi est-ce le cas ?).
(v) Donc, la différence d’énergie entre eux devient très petite. Cependant, VOUS DEVEZ NOTEZ CECI, quelques intervalles d’énergie ne contiennent pas d’orbitales, quelque soit le nombre d’atomes ensembles.
(3) Considérons maintenant les trois types de matériaux séparément. (a) Métaux
(i) Les métaux contiennent des bandes qui sont partiellement vides et par-tiellement remplies quelque soit la temperature. Donc, ils ont de hautes conductivités.
(ii) A cause de très grands nombres d’atomes qui interagissent dans un matériau solide, les niveaux d’énergie sont tellement rapprochés qu’ils forment des bandes donc, les électrons dans le métal sont arrangés en bandes d’éner-gie.
(iii) La bande la plus remplie d’énergie est appelée bande de valence, la bande suivante la plus haute est la bande de conduction.
(iv) Les régions d’énergie pour lesquelles aucune orbitale d’électrons sans on-des n’existe peuvent peut séparer les deux. De telles régions interdites sont appelées gap d’énergie ou bandes de gap.,
(v) Si le nombre d’électrons est impair, alors il existe des électrons non cou-plés dans chaque maille élémentaire, la bande de valence n’est donc pas totalement occupée, et ceci rend le matériau conducteur.
(vi) Leurs électrons de valence sont essentiellement libres à cause de la théorie des bandes, il y a un chevauchement entre la bande de valence et la bande de conduction afin qu’une fraction des électrons de valence puisse bouger à travers le matériau.
(b) Semi-conducteur
(i) Un semi-conducteur est un solide dont la conductivité électrique peut être contrôlée sur une large plage soit d’une façon permanente ou soit d’une façon dynamique.
v Lire et prendre des notes sur les utilisations et applications des semi-conducteurs
( ii) Un des principaux mécanismes pour les électrons à être excités par la bande de conduction est dû à l’énergie thermique, à cause de cela, la conductivité des semi-conducteurs est fortement dépendante de la température du maté-riau.
(EXPLIQUEZ POURQUOI EST-CE AINSI).
(iii) Les semi-conducteurs peuvent être des matériaux élémentaires tels que le silicon et le germanium, ou des semi-conducteurs composéstels que le gallium et l’indium phosphite, ou les alliages tels que le silicongermanium ou aluminium gallium arsénide.
(iv) Les semi-conducteurs et les isolants ont une bande de valence qui est presque vide sous des conditions normales.
(i) La facilité avec laquelle les électrons dans un semi-conducteur peuvent être excités de la bande de valence à la bande de conduction dépend de la bande de gap entre les bandes.
(ii) Afin de conduire le courant électrique, les électrons doivent se déplacer entre les états.Du fait du principe d’exclusion de Pauli, les bandes remplies ne contribuent pas à la conductivité électrique. Mais, pendant que la tem-pérature d’un semi-conducteur s’élève au dessus du zéro absolu, les états des électrons sont de plus en plus aléatoires et quelques électrons peuvent être trouvés dans la bande de conduction.
(iii) Dans les semi-conducteurs, le mouvement du courant de charge est facilité par les électrons et les trous. (LISEZ LES DOCUMENTS SUR LES TROUS ET PRENEZ NOTES)
v Prendre des notes sur les semi-conducteurs intrinsèques et les semi-conducteurs extrinsèques.
v Comparer les deux types de semi-conducteurs. (c) Isolants
(i) Les isolants contiennent des bandes complètement remplies. Donc, ils ont de très faibles conductivités.
(ii) Les isolants ont de larges gaps entre les énergies des électrons de valence et l’énergie à laquelle les électrons peuvent se déplacer librement à travers le matériau (la bande de conduction). C’est la taille de cette bande gap d’énergie qui sert de ligne qui sépare arbitrairement les semi-conducteurs et les isolants.
v **Lire Documentez vous davantage sur les isolants et prenez des notes. (4) Dopage
(i) Le processus d’ajouter les impuretés contrôlées au réseau cristallin d’un semi-conducteur afin de modifier sa conductivité est connu sous le nom de dopage. La quantité d’impuretés, ou dopant, ajouté à un semi-conducteur intrinsèque (pure) varie son niveau de conductivite. Les semi-conducteurs dopés sont souvent appelés extrinsèques.
v Écrire en quelques lignes comment un dopant peut influencer influence la
conductivité d’un semi-conducteur. (5) Le niveau de Fermi
(i) Le niveau de Fermi est le haut de la collection des niveaux d’énergie d’élec-tron à la température de zéro absolu.
(ii) Puisque les électrons sont des fermions et par le principe d’exclusion de Pauli ils ne peuvent pas sortir dans des états d’énergies identiques. Donc à zéro absolu, ils se regroupent dans les états d’énergie les plus bas pour bâtir ‘’une mer deFermi ‘’ d’états d’énergie d’électrons.
(iii) Le niveau de Fermi est la surface de cette mer à zéro absolu ou aucun élec-tron n’aura assez d’énergie afin de s’élever au dessus de la surface. Donc le niveau de Fermi est positionné dans la bande de gap.
(iv) La position du niveau de Fermi avec la relation à la bande de conduction est un facteur crucial pour déterminer les propriétés électriques.
(v) Dans un conducteur, le niveau de Fermi se trouve dans la bande de conduc-tion, de telle sorte que la bande soit seulement remplie à moitié avec des électrons. Dans ce cas, seulement la plus petite quantité d`énergie est requise pour trouver d’autres états non-occupés afin de s’y déplacer pour que le courant puisse passer.
(vi) Pour les semi-conducteurs tels que le silicon et le germanium, le niveau de Fermi est essentiellement à mi-chemin entre les bandes de valence et de conduction. Bien qu’aucune conduction n’arrive à 0 K, à de hautes tempé-ratures, un nombre fini d’électrons peut atteindre la bande de conduction et fournir du courant. Dans des semi-conducteurs dopés, des niveaux d’énergie supplémentaires sont ajoutés.
** Pour fin de simulation de quelques concepts allez voir http://www.collage.soe.ucsc.
edu/JavaFiles/ElectronDopedSimulation.html. 12/11/2007.
(6) Bandes d’énergie dans les corps solides
La Fig. 4.1 représente les diagrammes schématiques des bandes d’énergie dans les isolants solides, les semi-conducteurs et les conducteurs. Étudiez attentivement les trois diagrammes et notez les positions relatives de la bande de conduction, de la