Chimie inorganique
Semi-conducteurs et supraconducteurs
Semi-conducteurs et supraconducteurs sont tous deux des solides électroniques, mais dans des régimes opposés : un petit gap limite les porteurs dans un semi-conducteur, tandis que l’appariement électronique ouvre un gap supraconducteur permettant un transport sans résistance.
IntuitionIntuition : les gaps contrôlent le transport de charge
Dans une bande pleine, l’électron ne peut gagner d’énergie sans passer dans une bande vide. Isolant : grand gap ; semi-conducteur : petit ; métal : chevauchement. En supraconductivité, un très petit gap sous EF protège les paires du scatter ordinaire.
ScolaireNiveau scolaire : semi-conducteurs comme conducteurs contrôlables
Définition: Semi-conducteur intrinsèque
Un semi-conducteur intrinsèque a un gap modéré (Si ≈ 1,1 eV à température ambiante). L’énergie thermique n’excite qu’une petite fraction d’électrons, laissant autant d’électrons que de trous.
La concentration intrinsèque dépend exponentiellement du gap et de T : le semi-conducteur passe de quasi-isolant à conducteur. Cette sensibilité permet diodes, transistors, capteurs et photovoltaïque.
| Matériau | Trait électronique | Effet |
|---|---|---|
| Isolant | Grand gap valence/conduction | Très peu de porteurs |
| Semi-conducteur | Petit gap ; excitation thermique ou optique | Conductivité réglable |
| Métal | Bande partielle ou chevauchement | Conductivité élevée |
Exemple: Estimer les porteurs intrinsèques du silicium
Utiliser ni∝exp(−Eg/2kBT). À T=300 K, kBT≈0,0259 eV ; comparer Eg=1,1 eV et Eg=5,5 eV.
Solution
Les exposants valent environ −21 et −106 : le gap plus grand rend la génération thermique quasi nulle, bien qu’il ne soit que cinq fois supérieur.
UniversitaireUniversité : dopage, jonctions et supraconductivité
Le dopage substitutif ajoute des porteurs : P donne des électrons (n), B des trous (p). Le niveau de Fermi se rapproche de la bande source ; les jonctions entre régions créent un champ interne.
Dans un métal ordinaire, phonons et défauts diffusent les électrons et causent la résistance. Sous Tc, un supraconducteur forme un état corrélé de paires de Cooper ; en théorie BCS, le couplage électron–phonon crée un gap de l’ordre de kBTc.
Exemple: Estimer un gap BCS
Pour MgB₂, Tc≈39 K et kB=8,617×10⁻⁵ eV K⁻¹ ; estimer 2Δ faible couplage.
Solution
2Δ≈3,53×8,617×10⁻⁵×39≈1,19×10⁻² eV≈11,9 meV. MgB₂ réel est multibande : structure de gap plus complexe.
L’effet Meissner, et non seulement la résistance nulle, est le critère : le supraconducteur expulse le flux sous Tc (dans la profondeur de pénétration). Les type II admettent des vortex quantifiés entre deux champs critiques.
AvancéPoints de vue physique et matériaux
Le semi-conducteur se décrit par dispersion, statistiques de porteurs, mobilité, recombinaison et contacts ; le modèle idéal masque interfaces, pièges et défauts. La supraconductivité pose aussi symétrie d’appariement, piégeage du flux, cohérence et ordres compétiteurs.
RechercheRecherche : supraconducteurs à haute température et semi-conducteurs quantiques
Références
- Solid State Physics · N. W. Ashcroft, N. D. Mermin, 1976
- Possible high-Tc superconductivity in the Ba–La–Cu–O system · J. G. Bednorz, K. A. Müller, 1986