Eléments
Semi-Conducteurs auditifs
Dr Bernard Auriol
image de chaînes supramoléculaires auto-assemblées d’un semi conducteur organique
La Quinacridone sur Graphite.
Un semi-conducteur organique est un matériau organique qui a des propriétés semi-conductrices. Sa conductivité électrique, inférieure à celle des métaux, mais supérieure à celle des isolants, est une fonction croissante de la température.
Du point de vue de la théorie quantique, dans les semi-conducteurs[1], les électrons sont confinés dans certaines “bandes d’énergie” et les autres régions leur sont interdites (cf. graphique et formule ci-dessous).
cité d’après Wikipédia
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s à Conductivité (avec s¥ à limite de s aux très hautes températures) DE à Largeur de la bande interdite (DE s’exprime en eV à électron-volt) k à Constante de Boltzmann (k≈ 1, 38.10-23 J/K Joules par Kelvin) T à Température absolue exprimée en kelvins (à t° + 273,15°) e à base des logarithmes népériens (avec e ≈ 2,718) |
Dans les semi-conducteurs, on peut donc observer une forme de conduction électrique que l’on décrit sous diverses appellations : effet tunnel, états locaux, « gaps[2] » mobiles et sauts assistés par des phonons[1].
Pour que l’énergie électrique se déplace, il
est nécessaire que l’électron, confiné dans la zone de covalence, reçoive une
quantité d’énergie suffisante pour franchir la brèche (gap) et se retrouver
dans la bande de conduction. L’énergie nécessaire dépendra de la structure du
matériau considéré et de la température absolue. La structure du matériau est susceptible
de faire varier la grandeur de la brèche (gap) et la conductivité sera d’autant
plus faible que ce gap sera plus grand. La température aura un effet inverse,
plus elle est élevée et plus la conductivité augmente.
Ces considérations peuvent s’appliquer, (tous
deux étant des polymères semi-conducteurs) au collagène et à la mélanine.
Par exemple, l’amplitude de la bande de
Fermi prohibée[2]
est liée à la couleur de la mélanine et l’effet conducteur de la
mélanine serait ainsi d’autant plus faible que sa coloration serait foncée[3] (avec
ce correctif que les fonctions imines et amines que l’on trouve dans des états
plus ou moins oxydés de l’éméraldine foueront un rôle indépendant de la
couleur).
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Dans le cas de l’audition, ce qui nous intéresse sera le « phonon », « pseudo-particule » bâtie sur le modèle du photon, dont l’ordre de grandeur est de 1 eV [w=hν (ou ν est la fréquence et h » 6,626.10-34 Joule.seconde)]. La fréquence et l’amplitude (le nombre de phonons) jouent toutes deux un rôle important pour favoriser le saut et permettre ainsi la transmission de l’information.
Les transporteurs typiques dans les semi-conducteurs organiques sont des trous et des électrons de type covalent (liaison π[3]-[4]). Quand les molécules constituantes du semi-conducteur ont des systèmes de liaison π conjuguées[5] (délocalisations électroniques[6]), les électrons peuvent se déplacer « à saute-mouton » (« hopping quantique par effet tunnel ») via la superposition des nuages électroniques.
On peut décrire ce phénomène[7]-[8] par l’expression d’ effet tunnel quantique [7] qui dépend de la capacité probabiliste des porteurs de charge à sauter d'une molécule à l'autre [8]-[9] . L’énergie mise en jeu lors du transfert électronique d’un site vers un autre, est ici paradoxalement d’autant plus petite que la distance est longue[9]-[10] ! Cette loi déroge à notre perception habituelle de la dépense de l’énergie que nous assumons volontiers, non pas inversement proportionnelle, mais proportionnelle à la distance parcourue. Ce type de conduction contraste donc avec la conduction classique (dite par activation), qui fait que le porteur de charge ne se déplace que d’un site vers son plus proche voisin.
Le collagène est-il
semi-conducteur ?
Vincent P. Tomaselli et coll.[11], ont pu prouver[12] que le collagène se comporte comme un
semi-conducteur dont la conductivité en courant continu (
) augmente exponentiellement avec l'hydratation (h)
selon une équation du type :
(h) = A exp (T-1h).
Ils montrent que tout se passe comme si, dans le cadre d’une semi-conduction électronique, l’eau était une impureté « dopante » jouant le rôle de « donneur » de charge. Cet effet de l’eau est réversible et n’implique aucune altération chimique du collagène.
L’os est-il
semi-conducteur ?
On
sait que la croissance et la forme de l’os vivant sont sous le contrôle d’une
forme de bio - électricité liée à la piézo-électricité de sa matrice de
collagène (Fukada and Yasuda[4]).
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Gloria B. Reinish* & Arthur
S. Nowick†, Piezoelectric properties of bone as functions
of moisture content, Nature 253, 626 - 627 (20 February
1975) *Department of Electrical
Engineering, Fairleigh Dickinson University, Teaneck, New Jersey 17666 Fukada and Yasuda1
showed that dry bone is piezoelectric in the classic sense, that is,
mechanical stress produces polarisation (direct effect) and application of an
electric field produces strain (converse effect)2. The possibility
that the mechanism for osteogenesis is electrical3 has aroused
interest in an investigation of such effects in the more nearly physiological
condition represented by wet bone. Recent developments in electrical
stimulation of fracture healing4,5 have further emphasised the
importance of characterising the piezoelectric properties of wet bone. As the
piezoelectricity of wet collagen6 decreases to zero at a moisture
content equal to 45% of the dry weight (which corresponds to almost 100%
humidity)7, there is some doubt as to whether wet bone could be
piezoelectric. Observations of voltages in wet bone under stress, have been
made under conditions giving such ambiguous results that they suggested
alternative concepts to that of classic piezoelectricity8−11.
In view of the confusion about the nature of the voltage developed when wet
bone is stressed, we have used a simple longitudinal stress system with
sinusoidally varying drive, to measure both converse and direct piezoelectric
coefficients of bone as functions of humidity (and ultimately of moisture
content). The results show unambiguously that wet bone behaves as a
piezoelectric material. References 1. Fukada, E., and Yasuda, I., J. phys. Soc. Japan,
12, 1158–1162 (1957). 2. Cady, W. G., Piezoelectricity, 1, 183
(Dover, New York 1964). 3. Bassett, C. A. L., Calc. Tiss.
Res., 1, 252–272 (1968). 4. Lavine, L. S., Lustrin, I., Shamos, M. H., Rinaldi,
R. A., and Liboff, A. R., Science, 175, 1118–1121 (1972). 5. Bassett, C. A. L., Pawluk, R. J., and Pilla, A. A., Science,
184, 575–577 (1974). 6. Fukada, E., and Yasuda, I., J. appl. Phys., 3,
117–121 (1964). 7. Bull, H. B., J. Am. chem. Soc., 66,
1499–1507 (1944). 8. Cochran, G. V. B., Pawluk, R. J., and Bassett, C. A.
L., Clin. orthoped. rel. Res., 58, 249–270 (1968). 9. Anderson, J. C., and Eriksson, C., Nature, 218,
166–168 (1968); 227, 491–492 (1970). 10. Becker, R. O., Bassett, C. A. L., and Bachman, C.
H., in Bone biodynamics (edit. by Frost, H. M.), 209–231 (Little,
Brown, Boston, 1964). 11. Black, J., thesis, Univ. Pennsylvania (1972). 12. Fukada, E., J. phys. Soc. Japan, 10,
149–154 (1955). 13. Reinish, G. B., thesis, Univ. Columbia (1974). 14. Marino, A. A., and Becker, R. O., Nature, 253,
627–628 (1975). |
A côté de la piézo-électricité, l’os possède d’autres propriétés électriques :
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pyroelectricité (production de charges électriques sous l’influence de
la chaleur)
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SIDNEY B. LANG , Pyroelectric Effect in Bone
and Tendon, Nature 212, 704 - 705 (12 November 1966); Investigations have recently been
made into the generation of electric potentials in bone subjected to
mechanical stress1–5. Shamos, Lavine and Shamos5 and
Fukada and Yasuda3 have suggested that the potentials are the
result of a piezoelectric effect in the collagen of the bone. Fukada and
Yasuda have also found a piezoelectric effect in the collagen of the Achilles
tendons of a horse and a cow4. Other workers1,2 have
suggested that the electric potentials in bone may be generated either by the
bending of mucopolysaccharide molecules such as hyaluronic acid or by stress
at the interface between collagen and hydroxyapatite. The polar crystal
structure of the collagen molecule means that it could exhibit a pyroelectric
effect as well as piezoelectricity. We have therefore investigated the
existence and magnitude of the pyroelectric effect, and tried to find the
origin of the electric potentials in stressed bone. References 1. Bassett, C. A. L., Sci. Amer., 213, 18
(October 1965). | ISI | ChemPort | 2. Bassett, C. A. L., and Becker, R. O., Science,
137, 1063 (1962). | PubMed | ISI | ChemPort | 3. Fukada, E., and Yasuda, I., J. Phys. Soc. Japan,
12, 1158 (1957). | ISI | 4. Fukada, E., and Yasuda, I., Japan J. Appl. Phys.,
3, 117 (1964). | Article | ChemPort | 5. Shamos, M. H., Lavine, L. S., and Shamos, M. J., Nature,
197, 81 (1963). | PubMed | ISI | ChemPort | 6. Müller, M., Helv. Chim. Acta, 30, 2069
(1947). 7. Ramachandran, G. N., and Kartha, G., Nature, 174,
269 (1954). | PubMed | ISI | ChemPort | 8. Shubnikov, A. V., Zheludev, I. S.,
Konstantinova, V. P., and Silvestrova, I. M., Étude des Textures
Piézoélectriques (Dunod, Paris, 1958). 9. Lang, S. B., and Steckel, F., Rev.
Sci. Instr., 36, 929 (1965). | Article | ISI | ChemPort | 10. Lang, S. B., Cohen, M. D., and
Steckel, F., J. Appl. Phys., 36, 3171 (1965). | Article | ISI | ChemPort | 11. Perls, T. A., Diesel, T. J., and Dobrov, W. I., J. Appl. Phys., 29, 1297 (1958). | Article | ISI | ChemPort | |
· ferroelectricité (http://en.wikipedia.org/wiki/Ferroelectric)
· L’os est aussi un semi conducteur biphasique, semblable à une diode qui ne permet le passage de l’électricité que dans un seul sens. Cette diode est constituée d’une part de collagène, semi-conducteur de type N et d’autre part d’apatite, semi-conducteur de type P, comme le fait une jonction positif-négatif (jonction PN).
Le collagène est piézo-électrique alors que l’apatite ne l’est pas, de sorte que l’électricité, produite par le collagène, ne peut se déplacer dans la jonction PN que du collagène vers l’apatite.
Si on s’intéresse au sulcus tympanicus, on en déduit que l’effet piézo-électrique engendre un courant électronique allant du tympan à l’os et non l’inverse. Ceci implique que l’information acoustique puisse se transmettre sous forme électronique, dans le cadre de la « conduction aérienne » , du tympan vibrant jusqu’à l’os qui l’enchâsse.
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Au niveau du sulcus tympanicus, les vibrations dont est siège le tympan tiraillent les fibres de collagène radiales insérées sur l’os ce qui engendre, par effet piézo-électrique, des différences de potentiel microphoniques ; ces différences de potentiel agissent alors sur la jonction collagène/apatite. Ainsi l’apatite « accepte » les électrons fournis par le collagène (PN jonction). Ce « courant » est produit en quantité variable au rythme des ondes acoustiques frappant le tympan.
Par ailleurs, l’apatite est en contact avec d’autres fibres collagènes => cela constitue-t-il une NP jonction ; l’ensemble formant une NPN[13], structure de nature amplificatrice ?
La piézo-électricité fait basculer la polarité grâce aux signaux reçus du collagène à chaque cycle de tension-détente : la force du signal indique aux cellules osseuses quelle est la force de la tension, et la polarité, quelle est sa direction. Pour l’essentiel, la contrainte mécanique est convertie en signaux électriques.
Au
niveau de la « stria vascularis »
Un champ électrique peut accroitre le nombre d’électrons (-) ou de trous (+) dans un semi-conducteur et modifier ainsi sa conductivité en l’augmentant ou la diminuant (transistor à effet de champ[14] ou field effect transistor). Or on sait qu’ un champ électrique continu positif est créé du côté de la stria vascularis, ce qui suggère que cette région ait un effet d’amplification sur l’information électrique qu’elle recevrait du tympan par l’intermédiaire de l’os, pour la transmettre aux cellules ciliées externes.
Sources
· Wikipédia anglais et français
- http://members.fortunecity.com/anemaw/biblio.htm
- http://members.fortunecity.com/anemaw/bioelectricity.htm
[1] et les isolants
[2] Un « gap » est un terme anglais (à en français « brèche ») adopté internationalement pour désigner la bande interdite d’un matériau ; il mesure l’énergie nécessaire pour faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction ; ou inversement l’énergie émise si l’électron passe de la bande de conduction à la bande de valence
[11] Vincent P. Tomaselli, Morris
H. Shamos, Electrical properties of hydrated collagen. II.
Semiconductor properties, Department of Physics, Fairleigh Dickinson
University, Teaneck, New Jersey 07666, Biophysics Research Laboratory,
Department of Physics, New York University, New York, New York; Received: 6
March 1974; Accepted: 17 July 1974 => http://www3.interscience.wiley.com/journal/107587300/abstract
[12] La conductivité en courant continu du collagène du tendon d'Achille bovin a été déterminée en fonction de son hydratation sur une gamme limitée de températures. À la température ambiante la conductivité passe de 10-15 ( cm)-1 à l'état sec à environ 10-8 ( cm)-1 lorsque la teneur en eau est de l’ordre de 24% du poids. A toutes les températures la conductivité augmente exponentiellement avec l'hydratation selon l’équation (h) = A exp (h), où h est une mesure de l'hydratation, A est indépendant de la température, et le paramètre est à peu près égal à T-1. On montre que les données peuvent être décrites par un mécanisme de dopage dans lequel l'énergie d'activation efficace pour le processus dépend de la température et de l'hydratation. On assume que la conduction est électronique et que le dopage est produit par l’eau ayant le rôle d’une « impureté » en tant que donneur. À l’état solide, l'effet de l'eau sur la conductivité est réversible indiquant l'absence d’altération chimique du collagène hydraté.
[13] Bipolar junction transistors are formed from two p-n junctions, in either
n-p-n or p-n-p configuration. The middle, or base, region between the
junctions is typically very narrow. The other regions, and their associated
terminals, are known as the emitter and the collector. A small
current injected through the junction between the base and the emitter changes
the properties of the base-collector junction so that it can conduct current
even though it is reverse biased. This creates a much larger current between
the collector and emitter, controlled by the base-emitter current.
[14] The MOSFET is the most used
semiconductor device today. The gate electrode is charged to produce an electric field that controls the conductivity of a "channel" between
two terminals, called the source and drain. Depending on the type
of carrier in the channel, the device may be an n-channel (for
electrons) or a p-channel (for holes) MOSFET. Although the MOSFET is
named in part for its "metal" gate, in modern devices polysilicon is typically used instead.