Théorie des bandes des solides

La physique quantique décrit les états des électrons dans un atome selon le schéma quadruple des nombres quantiques . Les nombres quantiques décrivent les états admissibles les électrons peuvent prendre dans un atome. Pour utiliser l'analogie d'un amphithéâtre, les nombres quantiques décrivent le nombre de rangées et de sièges disponibles. Les électrons individuels peuvent être décrits par la combinaison de nombres quantiques, comme un spectateur dans un amphithéâtre affecté à une rangée et à un siège particuliers.

Comme les spectateurs d'un amphithéâtre se déplaçant entre les sièges et les rangées, les électrons peuvent changer de statut, compte tenu de la présence d'espaces disponibles pour qu'ils puissent s'adapter et de l'énergie disponible. Étant donné que le niveau de la couche est étroitement lié à la quantité d'énergie que possède un électron, les « sauts » entre les niveaux de la couche (et même de la sous-couche) nécessitent des transferts d'énergie. Si un électron doit se déplacer dans une couche d'ordre supérieur, cela nécessite qu'une énergie supplémentaire soit donnée à l'électron à partir d'une source externe. En utilisant l'analogie de l'amphithéâtre, il faut une augmentation d'énergie pour qu'une personne se déplace dans une rangée de sièges plus élevée, car cette personne doit grimper à une plus grande hauteur contre la force de gravité. À l'inverse, un électron « sautant » dans une coque inférieure abandonne une partie de son énergie, comme une personne sautant dans une rangée inférieure de sièges, l'énergie dépensée se manifestant sous forme de chaleur et de son.

Tous les « sauts » ne sont pas égaux. Les sauts entre les différentes coquilles nécessitent un échange d'énergie substantiel, mais les sauts entre les sous-coquilles ou entre les orbitales nécessitent des échanges moindres.

Lorsque les atomes se combinent pour former des substances, les coques, sous-couches et orbitales les plus externes fusionnent, fournissant un plus grand nombre de niveaux d'énergie disponibles pour les électrons. Lorsqu'un grand nombre d'atomes sont proches les uns des autres, ces niveaux d'énergie disponibles forment une bande presque continue dans lequel les électrons peuvent se déplacer comme illustré dans la figure ci-dessous

Chevauchement des bandes d'électrons dans les éléments métalliques.

C'est la largeur de ces bandes et leur proximité avec les électrons existants qui déterminent la mobilité de ces électrons lorsqu'ils sont exposés à un champ électrique. Dans les substances métalliques, les bandes vides se chevauchent avec des bandes contenant des électrons, ce qui signifie que les électrons d'un seul atome peuvent se déplacer vers ce qui serait normalement un état de niveau supérieur avec peu ou pas d'énergie supplémentaire transmise. Ainsi, les électrons externes sont dits « libres » et prêts à se déplacer à la demande d'un champ électrique.

Le chevauchement des bandes ne se produira pas dans toutes les substances, quel que soit le nombre d'atomes proches les uns des autres. Dans certaines substances, un écart substantiel subsiste entre la bande la plus élevée contenant des électrons (la soi-disant bande de valence ) et la bande suivante, qui est vide (la soi-disant bande de conduction ). Voir la figure ci-dessous. En conséquence, les électrons de valence sont « liés » à leurs atomes constitutifs et ne peuvent pas devenir mobiles dans la substance sans une quantité importante d'énergie transmise. Ces substances sont des isolants électriques.

Séparation des bandes d'électrons dans les substances isolantes.

Matériaux entrant dans la catégorie des semi-conducteurs ont un écart étroit entre les bandes de valence et de conduction. Ainsi, la quantité d'énergie nécessaire pour motiver un électron de valence dans la bande de conduction où il devient mobile est assez modeste. (Figure ci-dessous)

La séparation des bandes d'électrons dans les substances semi-conductrices, (a) des multitudes d'atomes semi-conducteurs proches entraînent toujours une bande interdite importante, (b) des multitudes d'atomes métalliques proches pour référence.

À basse température, peu d'énergie thermique est disponible pour pousser les électrons de valence à travers cet espace, et le matériau semi-conducteur agit davantage comme un isolant. À des températures plus élevées, cependant, l'énergie thermique ambiante devient suffisante pour forcer les électrons à traverser l'espace, et le matériau augmentera la conduction de l'électricité. Il est difficile de prédire les propriétés conductrices d'une substance en examinant les configurations électroniques de ses atomes constitutifs. Bien que les meilleurs conducteurs métalliques d'électricité (argent, cuivre et or) aient tous des s externes sous-couches avec un seul électron, la relation entre la conductivité et le nombre d'électrons de valence n'est pas nécessairement cohérente :

Les configurations de bandes d'électrons produites par des composés de différents éléments défient toute association facile avec les configurations d'électrons de ses éléments constitutifs.

AVIS :

• De l'énergie est nécessaire pour retirer un électron de la bande de valence vers une bande inoccupée supérieure, une bande de conduction. Il faut plus d'énergie pour se déplacer entre les coques, moins entre les sous coques.
• Étant donné que les bandes de valence et de conduction se chevauchent dans les métaux, peu d'énergie enlève un électron. Les métaux sont d'excellents conducteurs.
• Le grand écart entre les bandes de valence et de conduction d'un isolant nécessite une énergie élevée pour éliminer un électron. Ainsi, les isolants ne sont pas conducteurs.
• Les semi-conducteurs ont un petit espace sans chevauchement entre les bandes de valence et de conduction. Les semi-conducteurs purs ne sont ni de bons isolants ni de bons conducteurs. Les semi-conducteurs sont des semi-conducteurs.

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur la conduction électrique dans les semi-conducteurs