Physique des solides

18h C / 6h TD / EE / 3 crédits ECTS

Olivier Bonnaud (Rennes), Annie Le Vey (Metz), Xavier Quélin (Gif), Michel Roger (Gif), Alistaire Rowe (Gif), Enrique Garcia-Caurel (Gif)

L'ingénieur utilisera d'autant mieux les composants microélectroniques ou optoélectroniques qu'il aura de bonnes connaissances de base dans le domaine de la physique du solide, en particulier des semiconducteurs. La finalité du cours est donc de partir des disciplines fondatrices (physique quantique, cristallographie, physique statistique) pour déboucher sur les propriétés électriques et optiques des interfaces semiconductrices, sur lesquelles s'appuiera le cours de tronc commun "Composants à semiconducteurs".

La matière à l'état solide : structures cristallines

Les différents types de liaisons atomiques ou ioniques, symétries naturelles des cristaux. Éléments de cristallographie (réseaux de Bravais, groupes ponctuels, réseau réciproque). Élaboration des monocristaux (massifs, en couches minces). Défauts cristallins.

Physique statistique : les approches classiques

États microscopiques d'un système, fonction de partition. Ensemble microcanonique, entropie. Ensembles canonique et grand-canonique. Lois de la thermodynamique. Distribution de Maxwell-Boltzmann. Exemples (modèles simples de solides).

Les statistiques quantiques

Particules indiscernables et symétrie des fonctions d'onde. Statistiques de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein. Exemples historiques : rayonnement du corps noir, modèles de chaleur spécifique.

Électrons dans les solides

Modèle de Sommerfeld (états d'énergie, remplissage des états, densité d'états, conductivité électrique). Théorie de Bloch-Brillouin (fonctions d'onde électroniques, bandes d'énergie). Dynamique des électrons dans un cristal conducteur (vitesse de groupe, masse effective). Remplissage des bandes : conducteurs et isolants.

Les semiconducteurs

Semiconducteurs intrinsèques (notion de trou, concentration en porteurs, comportement en température). Semiconducteurs extrinsèques (dopage, concentrations, dépendance en température). Courants dans un semiconducteur (dérive et diffusion).

Semiconducteurs hétérogènes

Potentiels thermodynamiques (énergie libre, potentiels chimique et électrochimique) ; états d'équilibre dans les semiconducteurs homogènes et hétérogènes. Semiconducteurs hors équilibre. Processus de création-recombinaison ; équations de continuité. Introduction aux jonctions Schottky, PN et MIS. Propriétés optiques.

Bibliographie :

C. Kittel, «Physique de l'état solide», 7e éd., Ed. Dunod, 1996
S.O. Kasap, «Electronic Materials and Devices», 2e éd., Ed. Mc Graw Hill, 2002
N.W. Ascroft, N.D. Mermin, «Solid-State Physics», Ed. Saunders College, 1976
C. Ngô, H. Ngô, «Physique statistique, introduction», 2e éd., Ed. Dunod, 2000