MATIÈRE (physique)État solide

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Les caractéristiques structurelles

On sait fabriquer, pour les besoins de l'industrie des composants électroniques, du silicium monocristallin sans défaut, sous forme de barreaux de plusieurs centimètres de longueur et de quelques centimètres carrés de section. Mais la plupart des cristaux, même de faibles dimensions, comportent toutes sortes de défauts, qui sont tantôt néfastes, tantôt indispensables pour l'utilisation des solides. Ainsi, on ne pourrait pas braser un métal si certains de ses atomes (en faible proportion, de l'ordre de 10–4) n'étaient manquants dans le réseau cristallin ; on dit que le métal contient des lacunes. De même, les métaux seraient beaucoup moins fragiles s'ils ne contenaient pas de dislocations. Dans le silicium on remplace un atome sur 10 ou 100 millions par des atomes d’arsenic ou de bore pour fabriquer les jonctions des diodes ou des transistors ; on dit qu'on dope le semi-conducteur avec des défauts « donneurs » ou « accepteurs ».

Les lacunes et la diffusion

Dans un solide, une lacune est un atome absent d'un des sites cristallins. La proportion de lacunes reste en général très faible. La thermodynamique statistique prédit que la concentration de lacunes dans le cuivre atteint 5 × 10–5 à la température de fusion (1 336 K) et devient négligeable à la température ambiante. C'est le phénomène de diffusion des atomes à l'intérieur du solide qui rend possible la disparition des lacunes. La diffusion correspond au saut d'un atome depuis le site qu'il occupe jusqu'au site voisin supposé être lacunaire ; l'atome laisse donc à sa place une lacune qui pourra servir de site d'accueil pour un autre atome. L'atome a besoin d'énergie pour se déplacer ainsi de lacune en lacune ; il la trouve sous forme d'énergie thermique dans son environnement qui le maintient à une température fixée. La diffusion est d'autant plus efficace que la température du solide est élevée ; c'est ainsi que, à 1 100 kelvins, des atomes à l'intérieur d'un cristal de cuivre parcourent une distance de 5 micromètres en une heure. De même le dopage des semi-conducteurs s'effectue [...]


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  • : docteur ès sciences, professeur des Universités, université de Picardie

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Pour citer l’article

Daniel CALÉCKI, « MATIÈRE (physique) - État solide », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 05 août 2020. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-solide/