Chapitre 2.1 Deux siècles d’énergie
Activité 3 : De l’atome aux matériaux semi-conducteurs
Les premiers effets photoélectriques, c’est-à-dire la production d’électricité à partir de matériaux absorbant la lumière, ont été observés dès le XIX
èmesiècle. Il a fallu attendre l’arrivée de la physique quantique au début du XX
èmesiècle pour pouvoir les expliquer.
Document 1
Effet photoélectrique et physique quantique
En 1887, l’effet photoélectrique avait été observé par Heinrich Rudolf Hertz sans qu’aucune théorie ne l’explique correctement : un faisceau de lumière qui atteignait un métal pouvait lui arracher des électrons.
Pour expliquer cet effet, Albert Einstein reprend en 1905 une hypothèse de Max Planck. Il postula que la lumière se comportait comme si elle était constituée de « grains indivisibles », les photons.
Les échanges d’énergie entre la lumière et la matière sont quantifiés : ils se font uniquement par paquets d’énergie.
La matière peut absorber ou émettre des photons, chacun portant une quantité d’énergie bien définie, un quantum : cette approche constituera l’un des fondements de la mécanique quantique.
Document 2
Le modèle quantique de l’atome
Les atomes, comme les photons, ont aussi des niveaux d’énergie quantifiés, caractéristiques de chacun d’entre eux.
Lors d’une transition d’un niveau d’énergie donné d’un atome à un niveau d’énergie inférieur, l’atome cède de l’énergie en émettant un photon (situation a du schéma ci- dessous).
Un photon de même énergie peut également être absorbé par l’atome (situation b sur le schéma).
Les énergies des photons qu’un atome peut émettre ou absorber ne peuvent donc prendre que des valeurs particulières. Ces valeurs sont les mêmes, que les photons soient émis ou absorbés par l’atome.
Ainsi, les spectres d’émission ou d’absorption de la lumière par un atome possèdent un nombre limité de raies, chaque raie (colorée ou sombre) correspondant à un photon émis ou absorbé.
Données :
1 électronvolt (eV) = 1,6 x 10
-19J
Chapitre 2.1 Deux siècles d’énergie
Activité 3 : De l’atome aux matériaux semi-conducteurs
Questions :
1. Lire les documents.
2. Expliquer pourquoi les spectres d’émission et d’absorption du sodium possèdent les raies caractérisées par les mêmes valeurs de longueurs d’onde.
3. Compléter le document « Interaction lumière matière » du cours.
4. On donne ci-contre le diagramme énergétique d’un atome dans un gaz.
Répondre par vrai ou faux aux affirmations suivantes :
a. Les flèches représentent des changements de niveau d’énergie de l’atome b. La flèche représente l’absorption d’un photon par l’atome.
c. La flèche représente l’émission d’un photon par l’atome.
d. Cet atome peut émettre ou absorber des photons dont l’énergie est E = 2,71 eV.
5. Le spectre d’absorption simplifié de la lumière d’une étoile est schématisé ci- dessous, suivi des spectres d’émission, obtenus dans les mêmes conditions, de deux éléments (sous forme gazeuse) notés A et B.
Indiquer, en le justifiant, le(s) élément(s) présent(s) dans l’étoile.
Document 3
Conducteurs, isolants et semi-conducteurs
Dans les solides, qui peuvent être considérés comme des assemblages d’atomes, ce ne sont plus des niveaux d’énergie mais des bandes d’énergie qui sont permises et qui sont séparées par des bandes interdites.
On peut classer les matériaux en trois catégories selon leurs propriétés électriques : les conducteurs, les isolants et les semi-conducteurs qui ont des propriétés intermédiaires.
Pour expliquer ces différences, il faut s’intéresser à la théorie des bandes. Au repos, des électrons se trouvent dans la bande de valence. Pour conduire l’électricité, l’énergie d’un électron doit être dans la bande de conduction.
Dans les conducteurs, les bandes de valence et de conduction se chevauchent ; il y a donc des électrons qui participent à la conduction électrique.
Dans les semi-conducteurs et les isolants, les deux bandent sont séparées par une bande dite interdite ou
« gap » (écart en anglais).
Pour les isolants, cette bande interdite est quasiment infranchissable. Sa bande de valence est remplie et la bande interdite ( 6V) est trop large pour que les électrons puissent la franchir et atteindre la bande de conduction.
Pour les semi-conducteurs, il y a une probabilité non nulle que les électrons de valence franchissent la bande interdite (moins large que celle des isolants) et que le matériau deviennent conducteur.
Pour franchir la bande interdite, les électrons peuvent recevoir de l’énergie par absorption de photons d’énergie égale ou supérieure à Eg (ou gap).
Pour le silicium, Eg = 1,12 eV (électronVolt).
En dopant un semi-conducteur, c’est-à-dire en introduisant des impuretés telles que le phosphore ou le bore dans le semi-conducteur, le franchissement de la bande interdite est facilité.
