TP Matériaux
Table Des Matières 1 - Les semi-conducteurs 4 1.1 Conducteurs électriques...4 1.2 Les semi-conducteurs...5 1.3 La jonction PN...6 1.4 Les cellules photoélectriques...7 1.5 TP semi-conducteurs...9 3
1 - Les Semi-conducteurs 1 Conducteurs électriques Définit io n : Conducteurs et isolants Un conducteur électrique est un matériau, à l'inverse des isolants, capable de conduire le courant électrique. Il est caractérisé par sa résistivité exprimé en Les matériaux conducteurs sont les métaux purs (cuivre, argent, fer, or,...), les alliages, le graphite. Résistance électrique La résistance d'un conducteur est la grandeur définie par le rapport : Elle s'exprime en Ohm (Ω). Elle dépend des caractéristiques physiques (longueur, aire de la section) du conducteur. Résistors Si la résistance est constante on parle de résistors ou de conducteurs ohmiques. Conduction métallique et effet Joule Les conducteurs ont la particularité de posséder un électron libre par atome. Ces électrons sont capable de se déplacer sous l'effet d'un champ électrique créé par un générateur. Le mouvement d'ensemble de ces électrons entraîne la production de chaleur qui échauffe le conducteur, c'est l'effet Joule. Conduction Ce phénomène est en général gênant dans la mesure où il fait perdre de l'énergie sauf dans le cas où précisément on désire produire de la chaleur (radiateur). On cherche donc en général à diminuer la résistance et donc la résistivité des conducteurs en élaborant de nouveaux alliages. 4
Co m plém ent : Résistivité matériau aluminium argent cuivre fer graphite or zinc résistivité 0,028 0,016 0,017 0,10 8 0,022 0,061 Les semi-conducteurs La conduction Un matériau semi-conducteur se situe entre un isolant et un conducteur du point de vue de la conductivité. Il possède un électron sur la dernière couche électronique capable de conduire le courant à condition de lui fournir une énergie suffisante. Le schéma suivant montre les différences entre les niveaux d'énergie des bandes de conduction et de valence entre les conducteurs ; les isolants et les semi-conducteurs. électrons et trous Bandes de conduction et de valence La conduction dans un semi-conducteur est réalisé par les électrons qui se situent dans la bande de conduction mais aussi par les trous (absence d'électrons) qui se trouvent dans la bande de valence. En effet, il peut y avoir déplacement d'électrons d'un trou à l'autre, ce qui revient à déplacer le trou. De par sa nature le trou est donc considéré comme une charge positive. Semi-conducteurs N et P Les semi-conducteurs font tous partie de la colonne du Carbone, soit le Silicium (Si) et le Germanium (Ge). Ils possèdent donc 4 électrons sur leur dernière couche électronique. Pour améliorer la conductivité on ajoute des "impuretés" c'est-à-dire des atomes possédant soit 5 électrons périphériques (Phosphore P, Arsenic As), le semi-conducteur possède alors un excès d'électrons et devient de type P. On parle de dopage N (négatif). Dans le cas où on ajoute un élément possédant seulement 3 électrons périphériques (Aluminium Al, Gallium Ga). Le semi-conducteur possède un excès de trous et devient de type P (positif). 5
La jonction PN Définition Une jonction PN est réalisée lorsqu'on réunit un semi-conducteur de type P et N. La jonction PN la plus simple est la diode. Jonction PN non polarisée. Dans un jonction PN non soumise à une tension, il va se produire un mouvement naturel des charges (électrons et trous) en présence. A cause de l'agitation thermique, quelques électrons de la zone N vont passer la barrière et se retrouver dans la zone P, inversement quelques trous de la zone P passe dans la zone N. Ce déplacement crée un zone chargée négativement à droite de la jonction (voir schéma) et une autre positive à gauche. Ces 2 zones génère un champ électrique qui s'oppose à toute diffusion des charges. Jonction PN non polarisée Jonction PN polarisée en sens inverse Si on branche la jonction sur un générateur en reliant la borne positive à la zone N. Une partie des trous vont se diriger vers la borne +, tandis qu'une partie des électrons issus de la borne - vont venir combler des trous de la zone P. Ce déplacement tend à augmenter la zone d'épuisement située à la jonction accroissant ainsi le champ électrique qui s'oppose à la diffusion des charges. Jonction PN polarisée en sens inverse Le courant s'annule. Jonction PN polarisée dans le sens direct Si on inverse le sens de branchement du générateur. Les électrons issus de la borne - affluent dans la zone N permettant ainsi à quelques uns de parvenir à la partie positive de la jonction.il y a alors recombinaison entre les trous et les électrons. La tension et donc le champ électrique qui s'opposait à la diffusion des charges diminue et permet le déplacement des charges et l'apparition d'un courant. Jonction PN polarisée dans le sens direct 6
Diode La diode est un composant électronique utilisant une jonction PN. La flèche de son symbole indique le sens passant. Image 1 symbole diode Les cellules photoélectriques Constitution et structure Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l'électricité grâce à l'effet photovoltaïque. La tension continue obtenue est fonction de la lumière incidente. Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs. Image 2 Plaque de silicium Elles se présentent généralement sous la forme de fines plaques d'une dizaine de centimètres de côté. Les cellules sont souvent réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée. Principe de fonctionnement La cellule est constituée d'une jonction PN. La face exposée au rayonnement solaire est la zone dopée N. Un revêtement spécifique est appliqué sur la face supérieure pour améliorer le rendement. Des collecteurs récupère les porteurs de charge. Lorsque un photon a l'énergie suffisante pour faire passer un électron de la bande de valence à celle de conduction, il se crée une paire électron-trou. Si cette création à lieu où règne le champ électrique E, les électrons sont propulsés dans la zone N et les trous dans la zone P. Si les porteurs de charges atteignent les collecteurs le courant peut alors circuler. Fonctionnement cellule photovoltaïque 7
Co m plém ent : Photons et énergie L'énergie véhiculée par la lumière et donc par les photons ne dépend pas de l'intensité du rayonnement mais de sa fréquence. Cette énergie est donnée par la relation : h : constante de Planck = 6,63.10-34 J.s : fréquence en Hz. La sensibilité d'une cellule photovoltaïque dépend, comme pour l'œil humain, de la longueur d'onde et donc de la fréquence. Il est donc essentiel afin d'améliorer le rendement de traiter la surface des capteurs afin de collecter le maximum d'énergie provenant du rayonnement solaire. D'autre part l'énergie fournie par le rayonnement solaire n'est pas uniforme et dépend aussi de la longueur d'onde. En effet une partie du rayonnement est absorbé par l'atmosphère. L'énergie produite par les cellules photovoltaïques est donc bien supérieure hors atmosphère, ce qui justifie en partie leur utilisation pour les engins spatiaux. 8
TP semi-conducteurs Conducteurs 1. Pourquoi n'utilise-t-on pas le fer pour réaliser des conducteurs électriques à la place du cuivre? Justifier. 2. Mesurer la résistance des fils à votre disposition, que peut-on en déduire? 3. En utilisant la réponse à la question précédente, quelle vous paraît être la formule correcte qui exprime la résistance électrique? 4. Quelle est la résistance d'un fil de cuivre de section 2 mm 2 et de longueur 100 m? Semi-conducteurs 1. Quelle est la différence fondamentale entre un conducteur et un semi-conducteur? 2. Quelle énergie doit-on fournir pour rendre un électron mobile dans un semiconducteur? 3. Un rayonnement rouge de longueur d'onde de 500 nm possède-t-il assez d'énergie pour faire transiter un électron de la zone de valence vers celle de conduction? Jonction PN et diode 1. Imaginer un protocole pour tracer la caractéristique d'une diode dans les deux sens (passant et bloqué). Proposer le. 2. Réaliser le montage et les mesures et tracer la caractéristique de la diode. Cellules photo-électriques 1. Proposer un protocole permettant de montrer l'influence de l'éclairement sur l'énergie ou la puissance fournie par une plaque de cellule photovoltaïque. 2. Comment se calcule la puissance électrique, l'énergie électrique? 3. Réaliser le montage et faire quelques mesures (présentation en tableau). 4. Peut-on trouver une relation approximative entre l'éclairement et l'énergie fournie? Si oui, laquelle? 5. La fréquence du rayonnement a-t-il une influence sur la puissance fournie? 6. Comment peut-on le mettre en évidence? 9