Atomes, ions et énergie

Tableau listant les formules des atomes et des ions ainsi que la configuration électronique de leur état fondamental suivi d'une explication sur les diagrammes d'énergie, en physique quantique, appliqués aux semiconducteurs dopés P et N.


Les éléments

Il existe des moyens mnémotechniques pour retenir les éléments chimiques :

La taille d'un atome est d'environ 0,1 nanomètre, soit 10-10 mètres, c'est-à-dire 1 Å. Dans un solide, les atomes vibrent autour de leur position, avec une amplitude de l'ordre de 10-12 mètres et une fréquence de 1013 Hz à température ambiante.

Liste des éléments

Liste et propriétés des atomes
Nom de l'atomeSymboleN° atomiqueIon(s)Configuration électronique de l'état fondamental
HydrogèneH1Hydroxyde ou OxoniumH+ ou H3O+1s1
HeliumHe2  1s2
LithiumLi3  1s22s1
BérylliumBe4  1s22s2
BoreB5  1s22s22p1
CarboneC6  1s22s22p2
AzoteN7  1s22s22p3
OxygèneO8  1s22s22p4
FluorF9  1s22s22p5
NéonNe10  1s22s22p6
SodiumNa11SodiumNa+1s22s22p63s1
MagnésiumMg12MagnésiumMg2+1s22s22p63s2
AluminiumAl13AluminiumAl3+1s22s22p63s23p1
SiliciumSi14  1s22s22p63s23p2
PhosphoreP15  1s22s22p63s23p3
SoufreS16  1s22s22p63s23p4
ChloreCl17ChlorureCl-1s22s22p63s23p5
ArgonAr18  1s22s22p63s23p6
PotassiumK19PotassiumK+1s22s22p63s23p64s1
CalciumCa20CalciumCa2+1s22s22p63s23p64s2
ScandiumSc21  1s22s22p63s23p63d14s2
TitaneTi22  1s22s22p63s23p63d24s2
VanadiumV23  1s22s22p63s23p63d34s2
ChromeCr24  1s22s22p63s23p63d54s1 !
ManganèseMn25  1s22s22p63s23p63d54s2
FerFe26Fer II ; Fer IIIFe2+ ; Fe3+1s22s22p63s23p63d64s2
CobaltCo27  1s22s22p63s23p63d74s2
NickelNi28Nickel IINi2+1s22s22p63s23p63d84s2
CuivreCu29Cuivre IICu2+1s22s22p63s23p63d104s1 !
ZincZn30ZincZn2+1s22s22p63s23p63d104s2
GalliumGa31  1s22s22p63s23p63d104s24p1
GermaniumGe32  1s22s22p63s23p63d104s24p2
ArsenicAs33  1s22s22p63s23p63d104s24p3
SéléniumSe34  1s22s22p63s23p63d104s24p4
BromeBr35BromureBr-1s22s22p63s23p63d104s24p5
KryptonKr36  1s22s22p63s23p63d104s24p6
RubidiumRb37  1s22s22p63s23p63d104s24p65s1
StrontiumSr38  1s22s22p63s23p63d104s24p65s2
YttriumY39  1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2
ZirconiumZr40  1s22s22p63s23p63d104s24p64d25s2
NiobiumNb41  1s22s22p63s23p63d104s24p64d35s2
MolybdèneMo42  1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s2
Technétium *Tc43  1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s2
RuthéniumRu44  1s22s22p63s23p63d104s24p64d65s2
RhodiumRh45  1s22s22p63s23p63d104s24p64d75s2
PalladiumPd46  1s22s22p63s23p63d104s24p64d85s2
ArgentAg47ArgentAg+1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 !
CadmiumCd48  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2
IndiumIn49  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p1
EtainSn50  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2
AntimoineSb51  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p3
TellureTe52  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p4
IodeI53IodureI-1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p5
XenonXe54  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6
CésiumCs55  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s1
BaryumBa56  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s2
LanthaneLa57  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s25d1 !
CériumCe58  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f15d1 !
PraséodymePr59  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f3
NéodymeNd60  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f4
Prométhium *Pm61  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f5
SamariumSm62  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f6
EuropiumEu63  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f7
GadoliniumGd64  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f75d1 !
TerbiumTb65  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f9
DysprosiumDy66  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f10
HolmiumHo67  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f11
ErbiumEr68  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f12
ThuliumTm69  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f13
YtterbiumYb70  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f14
LutéciumLu71  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d1
HafniumHf72  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d2
TantaleTa73  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d3
TungstèneW74  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d4
RhéniumRe75  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d5
OsmiumOs76  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d6
IridiumIr77  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d7
PlatinePt78  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s14f145d9 !
OrAu79  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s14f145d10 !
MercureHg80  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d10
ThalliumTl81  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d106p1
PlombPb82  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d106p2
BismuthBi83  1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s24f145d106p3
PoloniumPo84   
AstateAt85   
RadonRn86   
FranciumFr87   
RadiumRa88   
ActiniumAc89   
ThoriumTh90   
ProtactiniumPa91   
UraniumU92   
Neptunium *Np93   
Plutonium *Pu94   
Américanium *Am95   
Curium *Cm96   
Berkélium *Bk97   
Californium *Cf98   
Einsteinium *Es99   
Fermium *Fm100   
Mendélévium *Md101   
Nobélium *No102   
Lawrencium *Lr103   
Rutherfordium *Rf104   
Hahnium *Ha105   
Seaborgium *Sg106   
Bohrium *Bh107   
Hassium *Hs108   
Meitnerium *Mt109   
Darmstadtium *Ds110   
Roentgenium *Rg111   
Ununbium *Uub112   
Ununtrium *Uut113   
(Ununquadium)Uuq114   
Ununpentium *Uup115   
(Ununhexium)Uuh116   
(Ununseptium)Uus117   
(Ununoctium)Uuo118   

Légende

Symboles utilisés :

Illustrations

[Cliquez pour agrandir : 32 Kio] Chimie - Un morceau de soufre.

Diagrammes d'énergie

Atome simple

Le diagramme d'énergie d'un élément chimique est ancré dans la théorie des quantas selon laquelle un atome ne peut exister que dans certains états d'énergie bien définis.

Le diagramme d'énergie représente ces différents états par des lignes horizontales, numérotées de n=1 à n=infini, avec, en ordonnée, les différents niveaux d'énergie auxquels elles correspondent.

Un élément ne peut passer d'un état à un autre que si un photon lui apporte la quantité exacte d'énergie pour passer d'une ligne à une autre. Si la quantité d'énergie est différente, le photon n'aura aucun effet sur l'élément.

n est appelé « nombre quantique principal ». Il est lié à la quantification de l'énergie de l'électron (par : En=-13.6/n² dans le cas d'un hydrogénoïde).
Le niveau n=1 est appelé niveau fondamental. Les autres sont des états excités. Le passage du niveau fondamental à un niveau excité se caractérise par une absorption d'énergie. La transition inverse est une émission lumineuse monochromatique.

Exemple : diagramme d'énergie de l'atome d'Hydrogène :

                                       En (eV)
                                     ^
        n=i -------------------------| 0
                                     |
        n=6 -------------------------| -0.37
        n=5 -------------------------| -0.54
                                     |
        n=4 -------------------------| -0.85
                                     |
                                     |
        n=3 -------------------------| -1.51
                                     |
                                     |
                                     |
        n=2 -------------------------| -3.39
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
                                     |
        n=1 -------------------------| -13.6

Cristaux

Les premiers travaux de cristallographie sont l'œuvre d'Érasme Bartholin puis de Christiaan Huygens (1690). Celui-ci émet l'idée que les cristaux sont constitués de molécules ou de petites masses qui se répètent selon trois axes de l'espace. Ces travaux sont complétés par Romé de l'Isle (1783), René-Just Haüy et Wollaston (1801). Weiss (1804) et Mohs (1822) en listent les classes de symtrie et Biot puis Fresnel et Arago définissent les sept classes encore utilisées aujourd'hui : cubique, hexagonale, rhomboédrique, quadratique, orthorhombique, monoclinique, triclinique. Les réseaux seront étudiés par Delafosse (1840) et Bravais (1848). En 1984, Schechtman découvre les quasi-cristaux, qui sont des assemblages quasi-périodiques d'atomes.

Du fait de la proximité des atomes entre eux à l'intérieur d'un cristal, ceux-ci perturbent la configuration électronique de leurs voisins. Le diagramme d'énergie d'un atome isolé est donc différent de celui du même atome dans un cristal.

On peut modéliser le comportement électronique d'un cristal par la superposition des diagrammes d'énergie des atomes qui le composent. Ces diagrammes d'énergie sont connus car dans un cristal très pur, tous les atomes sont identiques et ont donc le même environnement électronique.

On observe la présence de différentes bandes dans le diagramme énergétique des cristaux :

Isolant

La bande de conduction est vide tandis que celle de valence est complète. ΔW vaut plusieurs eV : le diamant, un des meilleurs isolants connus a ainsi ΔW=7eV.

	^  W
	|						^
	|	(bande de conduction : vide)		|
	|						|
	|						|
	|						|
	|						v
	|
	|
	|
	|
	|	(bande interdite)
	|
	|
	|
	|
	|
	|--------------------------------------------	^
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|------ (bande de valence : complète) -------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	v
	|

Métal

Dans un métal, les bandes de valence et de conduction se recouvrent en partie et sont partiellement occupées.

	^  W
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	^
	| - - - (bande de conduction) - - - - - - - -	|
	|- - -  (partiellement occupée)  - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|--------------------------------------------	|	^
	|--------------------------------------------	|	|
	|------ (intersection) ----------------------	|	|
	|--------------------------------------------	|	|
	|--------------------------------------------	v	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 		|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -		|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 		|
	| - - - (bande de valence)  - - - - - - - - -		|
	|- - -  (partiellement occupée)  - - - - - - 		|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -		|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 		v
	|

Cristal semiconducteur : généralités

Un semiconducteur est un corps dont la résistivité σ vérifie :

À la différence d'un isolant, l'énergie à fournir à un électron de la bande de valence pour qu'il passe dans la bande de conduction est faible : elle est de l'ordre de grandeur d'un eV. Le nombre d'électrons faisant ce saut croît très vite avec T.

En pratique, on « dope » les semiconducteurs en y ajoutant des « impuretés », c'est-à-dire une infime proportion d'un autre élément (1 g par tonne suffit), de manière à augmenter fortement le nombre de porteurs et donc la conductivité.

Cristal semiconducteur dopé N

Il s'agit d'un ajout d'atomes pentavalents qui vont libérer chacun un électron. En effet, ces atomes vont constituer une bande énergétique intermédiaire dont les électrons auront d'autant plus de facilité à passer dans la bande de conduction que l'énergie nécessaire est petite.

	^  W
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	^
	| - - - (bande de conduction) - - - - - - - -	|
	|- - -  (partiellement occupée)  - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	v
	|	^
	|	^
	|--------------------------------------------	^
	|------ (bande intermédiaire) ---------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	v
	|
	|
	|
	|
	|
	|
	|--------------------------------------------	^
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|------ (bande de valence : complète) -------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	v
	|

Cristal semiconducteur dopé P

Contrairement au cas précédent, il s'agit d'ajouter des atomes trivalents qui vont avoir tendance à attirer les électrons de leurs voisins et donc à propager des lacunes en électrons au sein du matériau (des « trous »). Les électrons auront alors tendance à passer de la bande de valence à la bande intermédiaire.

	^  W
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	^
	| - - - (bande de conduction) - - - - - - - -	|
	|- - -  (très peu occupée) - - - - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	v
	|
	|
	|
	|
	|
	|
	|--------------------------------------------	^
	|------ (bande intermédiaire) ---------------	|
	|--------------------------------------------	|
	|--------------------------------------------	v
	|	^
	|	^
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	^
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	|
	| - - - (bande de valence)  - - - - - - - - -	|
	|- - -  (partiellement occupée)  - - - - - - 	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	|
	|- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 	v
	|

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