Nick Connor

Carbone-14

Le seul radionucléide cosmogénique à apporter une contribution significative à l’exposition interne de l’homme est le carbone 14. Le carbone 14 radioactif a une demi-vie de 5730 ans et subit une désintégration β−, où le neutron est converti en un proton, un électron et un antineutrino électronique:

Malgré cette courte demi-vie par rapport à l’âge de la terre, le carbone 14 est un isotope naturel. Sa présence peut s’expliquer par la simple observation suivante. Notre atmosphère contient de nombreux gaz, dont l’azote-14. De plus, l’atmosphère est constamment bombardée de rayons cosmiques de haute énergie, constitués de protons, de noyaux plus lourds ou de rayons gamma. Ces rayons cosmiques interagissent avec les noyaux de l’atmosphère et produisent également des neutrons de haute énergie. Ces neutrons produits lors de ces collisions peuvent être absorbés par l’azote 14 pour produire un isotope du carbone 14:

Le carbone 14 peut également être produit dans l’atmosphère par d’autres réactions neutroniques, dont notamment le 13C(n,γ)14C et le 17O(n,α)14C. En conséquence, le carbone 14 se forme en continu dans la haute atmosphère par l’interaction des rayons cosmiques avec l’azote atmosphérique. En moyenne, un seul atome de carbone sur 1,3 x 10¹² dans l’atmosphère est un atome de carbone 14 radioactif. Ainsi, toutes les substances biologiques vivantes contiennent la même quantité de C-14 par gramme de carbone, soit 0,3 Bq d’activité carbone-14 par gramme de carbone. Le carbone 14 est présent dans le corps humain (13 kg de carbone pour un humain de 70 kg) à un niveau d’environ 3700 Bq (0,1 μCi) avec une demi-vie biologique de 40 jours. Notez que la demi-vie biologique est le temps nécessaire pour que la quantité d’un élément particulier dans le corps diminue à la moitié de sa valeur initiale en raison de l’élimination par les seuls processus biologiques. Cependant, un atome de carbone se trouve dans l’information génétique d’environ la moitié des cellules, tandis que le potassium n’est pas un composant de l’ADN. La désintégration d’un atome de carbone 14 dans l’ADN d’une personne se produit environ 50 fois par seconde, transformant un atome de carbone en un atome d’azote.

La dose annuelle de carbone 14 est estimée à environ 12 μSv/an.

Tant que le système biologique est vivant, le niveau est constant en raison de l’apport constant de tous les isotopes du carbone. Lorsque le système biologique meurt, il cesse d’échanger du carbone avec son environnement et, à partir de ce moment, la quantité de carbone 14 qu’il contient commence à diminuer à mesure que le carbone 14 subit une désintégration radioactive.

Voir aussi: Datation au carbone 14

Voir également:

Radionucléides cosmogéniques

Qu’est-ce que l’ionisation

L’ionisation est le processus par lequel un atome ou une molécule gagne ou perd des électrons pour former un ion chargé. L’ionisation peut résulter de la perte d’un électron après des collisions avec des particules subatomiques énergétiques, des collisions avec d’autres atomes, molécules et ions, ou par l’interaction avec un rayonnement électromagnétique. En général, le rayonnement ionisant est tout rayonnement (particules ou ondes électromagnétiques) qui transporte suffisamment d’énergie pour faire tomber les électrons des atomes ou des molécules, les ionisant ainsi. Pour les rayonnements ionisants, l’énergie cinétique des particules (photons, électrons, etc.) est suffisante et la particule peut ioniser (pour former des ions en perdant des électrons) les atomes cibles pour former des ions.

La frontière entre les rayonnements ionisants et non ionisants n’est pas clairement définie, car différentes molécules et atomes s’ionisent à différentes énergies. Les rayons gamma, les rayons X et la partie ultraviolette supérieure du spectre sont ionisants, tandis que les ultraviolets inférieurs, la lumière visible (y compris la lumière laser), les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio sont considérés comme des rayonnements non ionisants.

Énergie d’ionisation

L’énergie d’ionisation, également appelée potentiel d’ionisation, est l’énergie nécessaire pour retirer un électron de l’atome neutre.

X + énergie → X⁺  + e⁻

où X est n’importe quel atome ou molécule capable d’être ionisé, X⁺ est cet atome ou molécule avec un électron retiré (ion positif), et e^– est l’électron retiré.

Un atome d’azote, par exemple, nécessite l’énergie d’ionisation suivante pour éliminer l’électron le plus externe.

N + IE → N⁺ + e^–         IE = 14,5 eV

L’énergie d’ionisation associée à l’élimination du premier électron est la plus couramment utilisée. La  n ième énergie d’ionisation fait référence à la quantité d’énergie nécessaire pour éliminer un électron de l’espèce avec une charge de ( n -1).

1ère énergie d’ionisation

X → X ⁺  + e ⁻

2ème énergie d’ionisation

X ⁺  → X ²⁺  + e ⁻

3ème énergie d’ionisation

X ²⁺  → X ³⁺  + e ⁻

Énergie d’ionisation pour différents éléments

Il existe une énergie d’ionisation pour chaque électron successif éliminé. Les électrons qui entourent le noyau se déplacent sur des orbites assez bien définies. Certains de ces électrons sont plus étroitement liés dans l’atome que d’autres. Par exemple, seulement 7,38 eV sont nécessaires pour éliminer l’électron le plus externe d’un atome de plomb, tandis que 88 000 eV sont nécessaires pour éliminer l’électron le plus interne. Aide à comprendre la réactivité des éléments (en particulier les métaux, qui perdent des électrons).

En général, l’énergie d’ionisation augmente en remontant d’un groupe et en se déplaçant de gauche à droite sur une période. En outre:

• L’énergie d’ionisation est la plus faible pour les métaux alcalins qui ont un seul électron à l’extérieur d’une coquille fermée.
• L’énergie d’ionisation augmente sur une ligne sur le maximum périodique pour les gaz nobles qui ont des coquilles fermées

Par exemple, le sodium ne nécessite que 496 kJ/mol ou 5,14 eV/atome pour l’ioniser. Par contre le néon, le gaz rare qui le précède immédiatement dans le tableau périodique, nécessite 2081 kJ/mol ou 21,56 eV/atome.

Voir également:

Détection de rayonnement

Dans le semi-conducteur, les porteurs de charge libres sont les électrons et les trous d’ électrons (paires électron-trou). Les électrons et les trous sont créés par excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électron (souvent simplement appelé un trou) est l’absence d’un électron à une position où il pourrait exister dans un atome ou réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Étant donné que dans un atome normal ou un réseau cristallin, la charge négative des électrons est équilibrée par la charge positive des noyaux atomiques, l’absence d’électron laisse une charge positive nette à l’emplacement du trou. Les trous chargés positivement peuvent se déplacer d’un atome à l’autre dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. Lorsqu’un électron rencontre un trou, ils se recombinent et ces porteurs libres disparaissent effectivement. La recombinaison signifie qu’un électron qui a été excité de la bande de valence à la bande de conduction retombe à l’état vide dans la bande de valence, connu sous le nom de trous.

La conductivité d’un semi-conducteur peut être modélisée en termes de théorie des bandes des solides. Le modèle de bande d’un semi-conducteur suggère qu’à des températures ordinaires, il existe une possibilité finie que les électrons puissent atteindre la bande de conduction et contribuer à la conduction électrique. Dans le semi-conducteur, des porteurs de charge libres (paires électron-trou) sont créés par l’excitation de l’électron de la bande de valence à la bande de conduction. Cette excitation a laissé un trou dans la bande de valence qui se comporte comme une charge positive et une paire électron-trou est créée. Les trous peuvent parfois prêter à confusion car ils ne sont pas des particules physiques comme le sont les électrons, mais plutôt l’absence d’un électron dans un atome. Les trous peuvent se déplacer d’un atome à l’autre dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position.

Voir également:

Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]

En général, les semi-conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’éclairement et de la présence de dopants. Le nom de semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc., et celle d’un isolant, comme le verre. Ils ont une bande interdite inférieure à 4 eV (environ 1 eV). En physique du solide , cette bande interdite ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons dans un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir d’un rayonnement ionisant) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.

Excitation par rayonnement ionisant

L’énergie pour l’excitation peut être obtenue de différentes manières. Les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités par des rayonnements ionisants (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à Egap). En général, les particules chargées lourdes transfèrent de l’énergie principalement par :

• Excitation. La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
• Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque la particule chargée a suffisamment d’énergie pour éliminer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt. L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe. Pour les particules alpha et les particules plus lourdes, le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes.

En plus de ces interactions, les particules bêta perdent également de l’énergie par un processus radiatif connu sous le nom de bremsstrahlung. D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit émettre de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung (« rayonnement de freinage »).

Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser directement les atomes (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante. Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière.

• Effet photoélectrique
• Diffusion Compton
• Production de paires

Dans tous les cas, une particule de rayonnement ionisant dépose une partie de son énergie sur son trajet. La particule traversant le détecteur ionise les atomes du semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Par exemple, l’épaisseur typique d’un détecteur de silicium est d’environ 300 µm, de sorte que le nombre de paires électron-trou générées par la particule ionisante minimale (MIP) passant perpendiculairement à travers le détecteur est d’environ 3,2 x 10⁴. Cette valeur est mineure en comparaison du nombre total de porteurs libres dans un semi-conducteur intrinsèque d’une surface de 1 cm² et de même épaisseur. Notez qu’un échantillon de germanium pur à 20 °C contient environ 1,26×10²¹ atomes, mais contient également 7,5 x 10 ¹¹électrons libres et 7,5 x 10¹¹ trous générés en permanence à partir thermodynamics/what-is-energy-physics/internal-energy-thermal-energy/ »>de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal sur bruit (S/N) serait minime. L’ajout de 0,001 % d’arsenic (une impureté) donne 10¹⁵ électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est multipliée par 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal sur bruit (S/N) serait encore plus petit. Le refroidissement du semi-conducteur est un moyen d’abaisser ce rapport.

Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PN pour appauvrir le détecteur de porteurs libres, ce qui est le principe de la plupart des détecteurs de rayonnement au silicium. Dans ce cas, une tension négative est appliquée au côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés de la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n.

Voir également:

Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]

En général, les semi-conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’éclairement et de la présence de dopants. Le nom de semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc., et celle d’un isolant, comme le verre. Ils ont une bande interdite inférieure à 4 eV (environ 1 eV). En physique du solide , cette bande interdite ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons dans un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir d’un rayonnement ionisant) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.

Excitation optique et thermique dans les semi-conducteurs

L’énergie pour l’excitation peut être obtenue de différentes manières.

Excitation thermique

Des paires électron-trou sont également générées en permanence à partir d’énergie thermique, en l’absence de toute source d’énergie externe. L’excitation thermique ne nécessite aucune autre forme d’impulsion de démarrage. Ce phénomène se produit également à température ambiante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant. Cela dépend fortement de l’ E_gap (une distance entre la valence et la bande de conduction), de sorte que pour un E_gap inférieur le nombre de porteurs de charge excités thermiquement augmente. Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium). Les détecteurs à base de silicium ont un bruit suffisamment faible même à température ambiante. Ceci est dû à la grande bande interdite du silicium (E_gap = 1,12 eV), qui nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préféré pour réduire le bruit.

Excitation optique

Notez que l’énergie d’un seul photon du spectre de la lumière visible est comparable à ces bandes interdites. Les photons de longueurs d’onde 700 nm – 400 nm ont des énergies de 1,77 eV 3,10 eV. En conséquence, la lumière visible est également capable d’exciter des électrons vers la bande de conduction. En fait, c’est le principe des panneaux photovoltaïques qui génèrent du courant électrique.

Voir également:

Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]

Dans le semi-conducteur, les porteurs de charge libres sont les électrons et les trous d’ électrons (paires électron-trou). Les électrons et les trous sont créés par excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électron (souvent simplement appelé un trou) est l’absence d’un électron à une position où il pourrait exister dans un atome ou réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Étant donné que dans un atome normal ou un réseau cristallin, la charge négative des électrons est équilibrée par la charge positive des noyaux atomiques, l’absence d’électron laisse une charge positive nette à l’emplacement du trou. Les trous chargés positivement peuvent se déplacer d’un atome à l’autre dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. Lorsqu’un électron rencontre un trou, ils se recombinent et ces porteurs libres disparaissent effectivement. La recombinaison signifie qu’un électron qui a été excité de la bande de valence à la bande de conduction retombe à l’état vide dans la bande de valence, connu sous le nom de trous.

La conductivité d’un semi-conducteur peut être modélisée en termes de théorie des bandes des solides. Le modèle de bande d’un semi-conducteur suggère qu’à des températures ordinaires, il existe une possibilité finie que les électrons puissent atteindre la bande de conduction et contribuer à la conduction électrique. Dans le semi-conducteur, des porteurs de charge libres ( paires électron-trou) sont créés par l’excitation de l’électron de la bande de valence à la bande de conduction. Cette excitation a laissé un trou dans la bande de valence qui se comporte comme une charge positive et une paire électron-trou est créée. Les trous peuvent parfois prêter à confusion car ils ne sont pas des particules physiques comme le sont les électrons, mais plutôt l’absence d’un électron dans un atome. Les trous peuvent se déplacer d’un atome à l’autre dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position.

Excitation d’électrons dans les semi-conducteurs

L’énergie pour l’excitation peut être obtenue de différentes manières.

Excitation thermique

Des paires électron-trou sont également générées en permanence à partir d’énergie thermique, en l’absence de toute source d’énergie externe. L’excitation thermique ne nécessite aucune autre forme d’impulsion de démarrage. Ce phénomène se produit également à température ambiante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant. Cela dépend fortement de l’ E_gap (une distance entre la valence et la bande de conduction), de sorte que pour un E_gap inférieur le nombre de porteurs de charge excités thermiquement augmente. Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium). Les détecteurs à base de silicium ont un bruit suffisamment faible même à température ambiante. Ceci est dû à la grande bande interdite du silicium (E_gap = 1,12 eV), qui nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préféré pour réduire le bruit.

Excitation optique

Notez que l’énergie d’un seul photon du spectre de la lumière visible est comparable à ces bandes interdites. Les photons de longueurs d’onde 700 nm – 400 nm ont des énergies de 1,77 eV 3,10 eV. En conséquence, la lumière visible est également capable d’exciter des électrons vers la bande de conduction. En fait, c’est le principe des panneaux photovoltaïques qui génèrent du courant électrique.

Excitation par rayonnement ionisant

Les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités par des rayonnements ionisants (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à E_gap). En général, les particules chargées lourdes transfèrent de l’énergie principalement par:

• Excitation. La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
• Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque la particule chargée a suffisamment d’énergie pour éliminer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt. L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe. Pour les particules alpha et les particules plus lourdes, le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes.

En plus de ces interactions, les particules bêta perdent également de l’énergie par un processus radiatif connu sous le nom de bremsstrahlung. D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit émettre de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung (« rayonnement de freinage »).

Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser directement les atomes (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante. Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière.

• Effet photoélectrique
• Diffusion Compton
• Production de paires

Dans tous les cas, une particule de rayonnement ionisant dépose une partie de son énergie sur son trajet. La particule traversant le détecteur ionise les atomes du semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Par exemple, l’épaisseur typique d’un détecteur de silicium est d’environ 300 µm, de sorte que le nombre de paires électron-trou générées par la particule ionisante minimale (MIP) passant perpendiculairement à travers le détecteur est d’environ 3,2 x 10⁴. Cette valeur est mineure en comparaison du nombre total de porteurs libres dans un semi-conducteur intrinsèque d’une surface de 1 cm ² et de même épaisseur. Notez qu’un échantillon de germanium pur à 20 °C contient environ 1,26×10²¹ atomes, mais contient également 7,5 x 10¹¹ électrons libres et 7,5 x 10¹¹ trous générés en permanence à partir thermodynamics/what-is-energy-physics/internal-energy-thermal-energy/ »>de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal sur bruit (S/N) serait minime. L’ajout de 0,001 % d’arsenic (une impureté) donne 10¹⁵ électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est multipliée par 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal sur bruit (S/N) serait encore plus petit. Le refroidissement du semi-conducteur est un moyen d’abaisser ce rapport.

Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PN pour appauvrir le détecteur de porteurs libres, ce qui est le principe de la plupart des détecteurs de rayonnement au silicium. Dans ce cas, une tension négative est appliquée au côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés de la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n.

Voir également:

Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]

En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolants électriques et les semi-conducteurs, la bande de valence est la plage la plus élevée d’énergies électroniques dans laquelle les électrons sont normalement présents à la température zéro absolu. Par exemple, un atome de silicium a quatorze électrons. A l’état fondamental, ils sont disposés selon la configuration électronique [Ne]3s²3p². Parmi ceux-ci, quatre sont des électrons de valence, occupant l’orbite 3s et deux des orbitales 3p. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent les propriétés des bandes de valence et de conduction.

Niveau de Fermi

Le terme « niveau de Fermi » vient des statistiques de Fermi-Dirac, qui décrivent une distribution de particules sur des états d’énergie dans des systèmes constitués de fermions (électrons) qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli. Puisqu’ils ne peuvent pas exister dans des états d’énergie identiques, le niveau de Fermi est le terme utilisé pour décrire le sommet de la collection des niveaux d’énergie des électrons à thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/absolute-zero-temperature/ »>la température du zéro absolu. Le niveau de Fermi est la surface de la mer de Fermiau zéro absolu où aucun électron n’aura assez d’énergie pour s’élever au-dessus de la surface. Dans les métaux, le niveau de Fermi se situe dans la bande de conduction hypothétique donnant naissance aux électrons de conduction libres. Dans les semi-conducteurs, la position du niveau de Fermi se situe dans la bande interdite, approximativement au milieu de la bande interdite.

Voir également:

Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]

Le nom de semi- conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc., et celle d’un isolant, comme le verre. Ils ont une bande interdite inférieure à 4 eV (environ 1 eV). En physique du solide , cette bande interdite ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Les propriétés des semi-conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction. Pour comprendre ce qu’est un semi-conducteur, nous devons définir ces termes.

En physique du solide , la bande interdite ou la bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons dans un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir d’un rayonnement ionisant) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (écart E = 5,47 eV) avec un potentiel élevé en tant que matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. D’autre part, le germanium a une faible énergie de bande interdite (E_gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques.

Voir également:

Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]

En général, les semi-conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’éclairement et de la présence de dopants. Le nom de semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc., et celle d’un isolant, comme le verre. Ils ont une bande interdite inférieure à 4 eV (environ 1 eV). En physique du solide , cette bande interdite ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons dans un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir d’un rayonnement ionisant) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi-conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction. Pour comprendre ce qu’est un semi-conducteur, nous devons définir ces termes.

Propriétés des semi-conducteurs

Pour comprendre la différence entre les métaux, les semi-conducteurs et les isolants électriques , nous devons définir les termes suivants issus de la physique du solide:

• Bande de Valence. En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolants électriques et les semi-conducteurs, la bande de valence est la plage la plus élevée d’énergies électroniques dans laquelle les électrons sont normalement présents à la température zéro absolu. Par exemple, un atome de silicium a quatorze électrons. A l’état fondamental, ils sont disposés selon la configuration électronique [Ne]3s²3p². Parmi ceux-ci, quatre sont des électrons de valence, occupant l’orbite 3s et deux des orbitales 3p. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent les propriétés des bandes de valence et de conduction.
• Bande conductrice. En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolants électriques et les semi-conducteurs, la bande de conduction est la plage la plus basse d’ états électroniques vacants. Sur un graphique de la structure de bande électronique d’un matériau, la bande de valence est située en dessous du niveau de Fermi, tandis que la bande de conduction est située au-dessus. Dans les semi-conducteurs, les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités , par exemple, par un rayonnement ionisant (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à E _gap). Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (écart  E = 5,47 eV) avec un potentiel élevé en tant que matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. D’autre part, le germanium a une faible énergie de bande interdite (E_gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent les propriétés des bandes de valence et de conduction.
• Écart de bande. En physique du solide , la bande interdite ou la bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons dans un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir d’un rayonnement ionisant) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (écart  E = 5,47 eV) avec un potentiel élevé en tant que matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. D’autre part, le germanium a une faible énergie de bande interdite (E_gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques.
• Niveau de Fermi. Le terme « niveau de Fermi » vient des statistiques de Fermi-Dirac, qui décrivent une distribution de particules sur des états d’énergie dans des systèmes constitués de fermions (électrons) qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli. Puisqu’ils ne peuvent pas exister dans des états d’énergie identiques, le niveau de Fermi est le terme utilisé pour décrire le sommet de la collection des niveaux d’énergie des électrons à thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/absolute-zero-temperature/ »>la température du zéro absolu. Le niveau de Fermi est la surface de la mer de Fermi au zéro absolu où aucun électron n’aura assez d’énergie pour s’élever au-dessus de la surface. Dans les métaux, le niveau de Fermi se situe dans la bande de conduction hypothétique donnant naissance aux électrons de conduction libres. Dans les semi-conducteurs, la position du niveau de Fermi se situe dans la bande interdite, approximativement au milieu de la bande interdite.
• Paire électron-trou. Dans le semi-conducteur, les porteurs de charge libres sont les électrons et les trous d’ électrons (paires électron-trou). Les électrons et les trous sont créés par excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électron (souvent simplement appelé un trou) est l’absence d’un électron à une position où il pourrait exister dans un atome ou réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Étant donné que dans un atome normal ou un réseau cristallin, la charge négative des électrons est équilibrée par la charge positive des noyaux atomiques, l’absence d’électron laisse une charge positive nette à l’emplacement du trou. Les trous chargés positivement peuvent se déplacer d’un atome à l’autre dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. Lorsqu’un électron rencontre un trou, ils se recombinent et ces porteurs libres disparaissent effectivement. La recombinaison signifie qu’un électron qui a été excité de la bande de valence à la bande de conduction retombe à l’état vide dans la bande de valence, connu sous le nom de trous.

La conductivité d’un semi-conducteur peut être modélisée en termes de théorie des bandes des solides. Le modèle de bande d’un semi-conducteur suggère qu’à des températures ordinaires, il existe une possibilité finie que les électrons puissent atteindre la bande de conduction et contribuer à la conduction électrique. Dans le semi-conducteur, des porteurs de charge libres (paires électron-trou) sont créés par l’excitation d’un électron de la bande de valence à la bande de conduction. Cette excitation a laissé un trou dans la bande de valence qui se comporte comme une charge positive et une paire électron-trou est créée. Les trous peuvent parfois prêter à confusion car ils ne sont pas des particules physiques comme le sont les électrons, mais plutôt l’absence d’un électron dans un atome. Les trous peuvent se déplacer d’un atome à l’autre dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position.

Voir également:

Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]

Pour comprendre la différence entre les métaux, les semi- conducteurs et les isolants électriques, nous devons définir les termes suivants issus de la physique du solide:

Bande de Valence

En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolants électriques et les semi-conducteurs, la bande de valence est la plage la plus élevée d’énergies électroniques dans laquelle les électrons sont normalement présents à la température zéro absolu. Par exemple, un atome de silicium a quatorze électrons. A l’état fondamental, ils sont disposés selon la configuration électronique [Ne]3s²3p². Parmi ceux-ci, quatre sont des électrons de valence, occupant l’orbite 3s et deux des orbitales 3p. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent les propriétés des bandes de valence et de conduction.

Bande conductrice

En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolants électriques et les semi-conducteurs, la bande de conduction est la plage la plus basse d’ états électroniques vacants. Sur un graphique de la structure de bande électronique d’un matériau, la bande de valence est située en dessous du niveau de Fermi, tandis que la bande de conduction est située au-dessus. Dans les semi-conducteurs, les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités, par exemple, par un rayonnement ionisant (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à E_gap). Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (écart  E = 5,47 eV) avec un potentiel élevé en tant que matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. D’autre part, le germanium a une faible énergie de bande interdite (E_gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent les propriétés des bandes de valence et de conduction.

Voir également:

Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]