Bande interdite
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En physique du solide, la bande interdite d'un isolant ou d'un semi-conducteur est la différence entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction.
Dans un solide cristallin, les électrons occupent des états quantiques ayant la symétrie du cristal. Chacun de ces états est caractérisé par une énergie et l'ensemble des énergies accessibles par les électrons est appelé le spectre. Pour tous les solides cristallins ce spectre est constitué de plusieurs bandes d'énergies accessibles et séparées par des bandes interdites.
Sommaire |
[modifier] Structure en bandes
En raison du principe d'exclusion de Pauli, les électrons (fermions) d'un cristal se répartissent sur des états quantiques distincts. À basse température et à température ambiante, tous les états de basse énergie sont occupés ; les bandes se remplissent ainsi par niveaux d'énergies croissants.
[modifier] Bande de valence
Les états de plus basse énergie correspondent aux niveaux atomiques des électrons, qui restent localisés autour de chaque atome. Des états de plus haute énergie sont affectés par la présence des autres atomes, et les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre atomes voisins) ont une énergie dans une bande appelée bande de valence.
[modifier] Bande de conduction
Les états d'énergie supérieure sont délocalisés et appartiennent à la bande de conduction. Les électrons occupant cette bande sont appelés électrons de conduction, ou électrons libres.
[modifier] Métal, isolant ou semi-conducteur
Lorsque la bande de conduction n'est pas entièrement remplie, le cristal peut conduire le courant électrique. Il s'agit alors d'un métal.
Lorsque la bande de conduction est vide, le cristal est un isolant (ou un semi-conducteur).
[modifier] Notion de gap direct, gap indirect
La famille des matériaux semiconducteur, isolant à bande interdite de l'ordre de 1eV, peut être caractérisée par deux familles. Les matériaux à gap direct, comme la plupart des composés issues des colonnes III et V du tableau périodique des élements chimiques et les matériaux à gap indirect comme le silicium (colonne IV).
La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semiconducteur: Diagramme E (Energie) - k (Vecteur d'onde). Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Ces extrema représentent, dans un semiconducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type p pour la bande de valence et type n pour la bande de conduction sont importantes.
On parle de semiconducteur à gap direct, pour un semiconducteur dont le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction se situent à valeur voisine du vecteur d'onde k sur le diagramme E(k). On parle de semiconducteur à gap indirect, pour un semiconducteur dont le maximum de bande de valence et le minimum de la bande de conduction se situe à des valeurs distinctes du vecteur d'onde k sur le diagramme E(k).
Dans le cadre des applications en émetteur de lumière (interaction lumière/matière), on privilégie les matériaux à gap direct. Leurs extremums de bandes étant situé à des valeurs de k semblables, les probabilités de recombinaisons radiatives des porteurs est plus importante ( cf. rendement quantique interne) car elles sont en accord avec le principe de conservation de la quantité de mouvement et donc du vecteur d'onde k.
[modifier] Caractéristique spécifique aux matériaux à gap direct
Dans le domaine de l'optoélectronique, un paramètre essentiel à la compréhension des phénomènes de générations / recombinaisons de porteurs, est la notion de coefficient d'absorption. Celui-ci a deux caractères communs à l'ensemble des semiconducteurs à gap direct. Il présente tout d'abord un comportement assimilable en première approximation à une marche d'escalier. Ainsi pour une énergie incidente inférieure à l'énergie de bande interdite, le matériau est "transparent" au rayonnement incident, et le coefficient d'absorption est très faible. A partir d'une valeur proche de l'énergie de bande interdite, ce coefficient présente une valeur constante aux alentour de α ≈ 10⁴cm -1. On parle ainsi de seuil d'absorption optique.
[modifier] Voir aussi
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