Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

    

Des matériaux conducteurs ET isolants ?

 

 

 

Les semi-conducteurs, vous connaissez ? Et pourtant, micro-ordinateurs, téléphones portables et consoles de jeu en sont truffés. Ces matériaux à l'humeur changeante savent, selon les circonstances, laisser passer le courant ou, au contraire, lui résister.

Pour comprendre, il faut plonger dans l'architecture des solides. Le plus souvent, les atomes y constituent ce qu'on appelle un cristal, où ils sont régulièrement rangés les uns par rapport aux autres, formant une sorte de grille en trois dimensions.

On peut comparer ce cristal à un grand réseau de chemin de fer où chaque noyau d'atome serait une gare. Le courant électrique étant crée par des électrons en mouvement, on peut les considérer comme autant de "trains" destinés à parcourir ce réseau, de gare en gare.

Or, les électrons au sein d'un cristal doivent respecter une règle d'or : ils ne peuvent pas circuler avec n'importe quelles énergies. Seules certaines "bandes d'énergie" sont autorisées, séparées par des bandes interdites. Le problème est qu'à chaque matériau correspond une énergie minimale pour qu'un électron puisse quitter sa gare atomique. Si cette limite est trop haute, aucun ne peut se libérer : aucune voie ne relie les noyaux et tous les électrons restent à quai. Le matériau est donc isolant, car aucun courant ne peut s'y propager.

inversement, si l'énergie minimale requise est assez faible, comme dans les métaux, les électrons les plus dynamiques pourront prendre le départ, parcourir la voie qui relie sa gare à une autre, et ainsi créer un courant au sein du matériau, dès lors baptisé conducteur.

Mais il existe aussi un cas intermédiaire qui fait le bonheur des électroniciens : celui d'un réseau d'atomes qui se comporte à la fois comme un isolant et un conducteur ! Dans ces semi-conducteurs, c'est un peu le règne du tout ou rien. A l'état normal, les électrons restent confinés dans les atomes, et aucun courant ne peut circuler. Mais quand on apporte une quantité d'énergie suffisante au matériau, sous forme de chaleur ou de tension électrique, les électrons les plus dynamiques absorbent alors cette énergie, changent de niveau... et se voient propulsés sur l'une des voies à grande vitesse. Le courant peut enfin circuler et l'ex-isolant devient conducteur !

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