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République démocratique du Congo ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET UNIVERSITAIRE INSTIT

République démocratique du Congo ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET UNIVERSITAIRE INSTITUT SUPERIEUR PEDAGOGIQUE & TECHNIQUE DE LA KANSHI « ISPTK » MBUJIMAYI Présenter par : MUKEBA BEYA Rodrigue Dirigé par : Ir Sylvain KABEYA Promotion : L2 Electronique SYNTHESE DU COURS DE PHYSIQUE POUR ELECTRONICIEN Ce cours étudié le différent comportement relatif à l’électron. Présentement tous les appareils électroniques sont construits à partir de matériaux semi-conducteurs. Les pièces électroniques, tels que les diodes, transistors, thyristors thermistances, etc. sont tous réalisés à partir de matériaux semi-conducteurs. Les matériaux sont classés selon leur conductivité électrique, leur capacité transporter facilement le courant électrique, tel que l'argent et le cuivre, sont appelés les conducteurs. Les matériaux qui ont une grande difficulté à faire passer un courant électrique, tels que le caoutchouc, le verre, et téflon, sont appelés les isolateurs. Toutefois, Il existe une troisième catégorie de matériau dont la conductivité est comprise entre ceux de conducteurs et d'isolants. Cette troisième catégorie de matériau est considérée comme un semi-conducteur. Techniquement, les semi-conducteurs sont des matériaux qui ont une conductivité dans l'intervalle entre 10 siemens par mètre (S.m). (par exemple, le silicium, le germanium), d'autres sont des alliages (par exemple, le nichrome, laiton), et d'autres. LA CONSTITUTION DE LA MATIERE La matière constitue tous ce qui possède une masse et qui occupe un volume dans l’espace. On admet que la matière n’est pas divisible à l’infini, elle est constituée des molécules. La plus petite quantité de la matière pouvant exister à l’état libre. Ces molécules sont à leur tour formées d’atomes. L’atome est la plus petite partie d’un corps simple susceptible d’entrer dans une combinaison chimique. Les atomes sont des particules de base constituées d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Elle est constituée du noyau et des électrons qui gravitent autour du noyau comme la terre qui tourne autour du soleil. L’atome est électriquement NEUTRE et la masse de l’atome est concentrée dans le noyau (la masse de l’e- est négligeable par rapport à celle du noyau). L’électron ne se déplace pas sur une trajectoire fixe et déterminée : on définit par contre sa probabilité de présence d’occuper une région donnée : ‘est le NUAGE ELECTRONIQUE : il représente l’ensemble des positions susceptibles d’être occupées par l’électron. Les électrons se répartissent sur des orbites différentes qui forment des couches. Les couches sont remplies par les électrons dans un ordre bien déterminé. On dit qu’ils forment une structure planétaire. Dans la mesure du possible, ceux-ci s'assemblent par paires. Quand si ce n'est pas possible, ils restent célibataires. Quand l'atome possède plusieurs couches d'électrons, les couches profondes contiennent un nombre d'électrons indépendant de l'atome considéré. C'est la couche périphérique qui fait la différence. Le nombre total des électrons d’un atome est noté : Z (appelé numéro atomique). Noyau est constitué de NUCLEONS - Les neutrons qui ne sont pas chargés, - Les protons qui portent une charge électrique positive q = 1.6 x 10-19 coulombs. Les protons, particules élémentaires chargées électriquement à la valeur +e, et de neutrons, sans charge. Portant une charge positive qui est égale et de signe contraire à la charge d’un électron ; chaque proton comporte une masse beaucoup plus grande que celle de l’électron (1840 fois environ). Quant au neutron, il résulte de la combinaison d’un proton et d’un électron. Raison pour laquelle que sa masse paraît plus grande que celle du proton. NIVEAUX D’ENERGIE (couches électroniques) Si on veut arracher un e- à un atome, il faut lui fournir de l’énergie : Les e- des atomes ne sont pas tous liés de la même manière (les e- éloignés du noyau sont plus  facile à arracher), Les e- d’un atome se répartissent sur des niveaux d’énergie ou couches électroniques chaque  couche est caractérisée par un nombre quantique n (nombre entier positif) Les électrons placés dans différentes orbites, sont repartis dans plusieurs couches électroniques à savoir : les couches K, L, M, N, O, P, Q (ou par des numéros 1 à 7). Au total 7 couches forment la structure atomique. La complexité de l’atome déterminera le nombre de couches. Chaque couche ne peut contenir qu’un nombre maximum donné d’électrons .Ces valeurs d’e- sont obtenues en remplaçant n par sa valeur dans l’expression 2n2. RÉACTIVITÉ CHIMIQUE Ce qui caractérise la réactivité et les propriétés chimiques d’un atome, c’est le nombre d’e- de sa couche externe. Tous les éléments d’une même colonne ont le même nombre d’e- sur la couche externe, donc les mêmes propriétés chimiques. Le nombre d’e- de la couche externe représente le numéro de la colonne : 5e- sur la couche ext. ==> Colonne V. tous les atomes ont tendance à acquérir la configuration électronique stable (couche externe saturée) du gaz rare le plus proche dans la classification périodique des éléments : c’est la REGLE de l’OCTET. Notons qu’on appelle la couche périphérique ou couche de valence, celle qui est la plus éloignée ou la plus extérieure du noyau et joue un rôle important dans les propriétés chimiques de l’atome. Les électrons contenant dans cette couche sont appelés les électrons de valence. Si un corps dont la dernière couche est incomplète, il est instable, par conséquent, du point de vue chimique, il devient actif ; tandis qu’un corps dont la dernière couche est complète est parfaitement stable. Il est alors dans ce cas difficile de s’allier avec d’autres corps. En guise d‟exemple : l‟Hélium, le Néon, … on pourra donc dire qu’un corps qui a la dernière couche complète est un mauvais conducteur d’électricité, car celle – ci est le déplacement ordonné des électrons libres qui quittent l’atome. LES LIAISONS INTER-ATOMIQUES Les atomes la constituant se combinent entre eux de manière à lui donner une certaine cohésion. Macroscopiquement, ces liaisons, appelées valences, vont donner la consistance du matériau : gaz, liquide, solide plus ou moins dur, structure cristalline. LES LIAISONS COVALENTES Les atomes se lient entre eux en mettant en commun des électrons célibataires de la couche périphérique. Ces électrons s'associent en paires et appartiennent en commun aux deux atomes participant à la liaison. De ce fait, les liaisons obtenues sont très robustes : il faut leur fournir une énergie importante pour les casser. LES LIAISONS MÉTALLIQUES Ce ne sont pas deux atomes qui mettent en commun un ou plusieurs électrons pour se lier ; un grand nombre d'atomes mettent en commun des électrons célibataires. Les atomes ainsi dépouillés de leur(s) électrons(s) deviennent des particules non neutres du point de vue charge électrique (des ions). Ils forment un réseau cristallin et baignent dans un nuage d'électrons très mobiles appelés électrons libres. L’IONISATION Dans l’effet de l’élévation de température appelé agitation thermique, certains des électrons de valence se dégagent de la couche interne et se déplacent dans le vide interatomique. Ces électrons libérés assurent le passage du courant électrique. Ils constituent la bande de conduction. Il est également à noter qu’un atome qui perd les électrons de valence voit sa charge négative réduite et il devient un atome électro positif appelé : un ion positif. Tandis qu’un atome qui gagne un électron de valence voit sa charge négative augmentée et devient un atome électronégatif appelé : un ion négatif. DEFINITION DE MATERIAUX - Un conducteur est un matériau qui laisse circuler le courant électrique. Souvent, un bon conducteur d’électricité est aussi un bon conducteur de chaleur. Un matériau conducteur possède beaucoup d’électrons libres qui, (sous l’effet du générateur, se dirigent vers la borne positive) lorsqu’ils se déplacent tous dans la même direction, engendrent le courant (mouvement d’électrons libres). Exemples de métaux fer, cuivre, aluminium, zinc, plomb, l‟or, l‟argent etc…). - Un isolant est l’opposé d’un conducteur, c’est un matériau qui ne peut pas faire circuler le courant électrique sous des conditions normales. Les électrons de valence sont solidement rattachés aux atomes, laissant très peu d’électrons libres se déplacer dans un isolant. Un isolant est souvent également un mauvais conducteur de la chaleur. Exemples d‟isolants : le verre, l‟air, le bois, le papier, le tissu, les matières plastiques. - Un semi-conducteur est un matériau se situant entre un conducteur et un isolant. Il n’est ni un bon conducteur ni un bon isolant. La conductivité électrique de ce dernier peut être contrôlée par le processus de dopage, en introduisant une petite quantité d'impuretés dans le matériau afin de produire un excès d'électrons ou un déficit. Des semi-conducteurs dopés différemment peuvent être mis en contact afin de créer des jonctions, permettant de contrôler la direction et la quantité de courant qui traverse l'ensemble. Cette propriété est à la base du fonctionnement des composants de l'électronique moderne : diodes, transistors, etc. Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé commercialement, du fait de ses bonnes propriétés, et de son abondance naturelle même s'il existe également des dizaines d'autres semi-conducteurs utilisés, comme le germanium, l'arséniure de gallium ou le carbure de silicium. NIVEAUX D’ENERGIE D’UN ATOME ISOLE Un électron soumis à l’action de son noyau occupe un niveau d’énergie bien déterminé. Lorsqu’il s’agit des corps solides, ce niveau d’énergie est remplacé par une bande d’énergie. Il uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-de-physique-pour-electronicien.pdf