Que sont les propriétés électriques des matériaux – Définition

La propriété électrique fait référence à la réponse d’un matériau à un champ électrique appliqué. L’une des principales caractéristiques des matériaux est leur capacité (ou leur incapacité) à conduire le courant électrique. En effet, les matériaux sont classés selon cette propriété, c’est-à-dire qu’ils sont divisés en conducteurs, semi-conducteurs et non-conducteurs.

Conductivité électrique des matériaux

La conductivité électrique et son inverse, la résistivité électrique, est une propriété fondamentale d’un matériau qui quantifie la façon dont il conduit le flux de courant électrique. La conductivité électrique ou conductance spécifique est l’inverse de la résistivité électrique. Le symbole de la conductivité électrique est κ (kappa), ainsi que σ (sigma) ou γ (gamma). L’unité SI de la conductivité électrique est le siemens par mètre (S/m). Une conductivité élevée indique un matériau qui permet facilement la circulation du courant électrique. Notez que la résistivité électrique n’est pas la même chose que la résistance électrique. La résistance électrique est exprimée en Ohms. Alors que la résistivité est une propriété matérielle, la résistance est la propriété d’un objet.

Conducteurs – Semiconducteurs – Résistances

Les substances dans lesquelles l’électricité peut circuler sont appelées conducteurs. Les conducteurs sont constitués de matériaux à haute conductivité tels que les métaux, notamment le cuivre et l’aluminium.

Les isolateurs, quant à eux, sont constitués d’une grande variété de matériaux en fonction de facteurs tels que la résistance souhaitée.

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.

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 (E_gap = 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 (E_gap = 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 du 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.

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. Gonzalez-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir au dessus:

Propriétés des matériaux