À la fin du XIXesiècle, l'avènement de générateurs d'électricité plus efficaces favorise l'essor de l'éclairage public. Dans leur quête d'amélioration des lampes utilisées, des scientifiques se penchent sur l'explication des spectres lumineux atomiques, comme celui de l'hydrogène représenté ci-dessous.
En 1900, Max Planck propose une hypothèse novatrice selon laquelle la lumière est émise par des "paquets" d'énergie, appelésphotons. Cette idée révolutionnaire ouvre la voie à une nouvelle approche de la physique : lamécanique quantique. Cependant, le modèle planétaire de l'atome (établi par Ernest Rutherford) ne parvient pas à expliquer les spectres d'émission.
Niels Bohr apporte une avancée majeure en 1913 en démontrant que les atomes ne peuvent exister que dans desétats d'énergie quantifiés. Selon ce modèle, les raies d'émission d'un spectre sont expliquées par les transitions des atomes entre différentsniveaux d'énergie. Sur le graphique ci-dessous, on a par exemple représenté les cinq premiers niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène :
L'écart entre ces différents niveaux d'énergie impose que seuls certains photons peuvent être émis ou absorbés par l'hydrogène : ceux dont les longueurs d'onde correspondent à celles qu'on retrouve dans le spectre lumineux de l'atome.
Contrairement à la physique classique, la physique quantique utilise des probabilités pour décrire les phénomènes à l'échelle de l'infiniment petit. Par exemple, dans le modèle quantique de l'atome d'hydrogène, la position de l'électron autour du noyau est définie par une probabilité de présence plutôt que par une position déterminée.
Les semi-conducteurs
Dans les solides, constitués d'un assemblage de nombreux d’atomes, les niveaux d'énergie de chacun d'entre eux s'associent et finissent même par se superposer. Il se forme alors des "bandes" d'énergie qu'on peut classer en trois catégories:
- labande de valence: pour ces niveaux d'énergie, les électrons du matériau sont au repos ;
- labande de conduction: grâce à des niveaux d'énergie plus élevés que dans la bande de valence, les électrons peuvent se déplacer librement et donc conduire un courant électrique ;
- labande interdite: lorsqu'elle existe, cette bande vient séparer la bande de valence et la bande de conduction. Elle ne dispose d'aucun niveau d'énergie et empêche donc le passage spontané d'un électron d'un état de repos à la conduction d'un courant électrique.
Les positions relatives de ces bandes permettent de distinguer trois familles de matériaux : lesconducteurs, lessemi-conducteurset lesisolants.
Contrairement à celle d'un isolant, la bande interdite d'un semi-conducteur est suffisamment petite pour être "sautée" par un électron présent dans la bande de valence. Cependant, pour que ce passage d'une bande à l'autre puisse s'effectuer, un petit apport énergétique est nécessaire. Ce dernier peut par exemple être apporté par un photon : c'est l'effet photoélectrique.