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1 - ÉLECTRON DANS LA MATIÈRE

2 - MODÈLES ÉLÉMENTAIRES DE CONDUCTION ÉLECTRONIQUE

3 - CONDUCTIVITÉ ÉLECTRIQUE DANS UN SOLIDE : CRISTAL PÉRIODIQUE

4 - THÉORIE SEMI-CLASSIQUE DU TRANSPORT

  • 4.1 - Vitesse d'un électron de Bloch
  • 4.2 - Équations semi-classiques du mouvement
  • 4.3 - Conséquences des équations semi-classiques

Article de référence | Réf : D2601 v1

Théorie semi-classique du transport
Conduction électrique dans les solides - Introduction et théories élémentaires

Auteur(s) : Olivier BOURGEOIS, Hervé Guillou

Date de publication : 10 nov. 2011

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RÉSUMÉ

Les propriétés de transport électrique dans les solides découlent en toute logique de celles des électrons dans la matière. Dans une approche essentiellement phénoménologique, il est fait appel au modèle classique de Drude Lorentz et à celui quantique de Sommerfeld. Ce dernier reprend l’hypothèse du premier en y incluant les propriétés quantiques des électrons, introduisant des concepts essentiels comme la densité de charge, le libre parcours moyen ou la densité d'état. Ces modèles permettent de relier les propriétés de transports de charges à d'autres propriétés des solides et notamment celles de transport de la chaleur. Cependant, cette approche s’avère limitée, la théorie des électrons dans un réseau périodique prend alors le relais, avec les concepts fondamentaux de structure de bande, surface d'énergie, masse effective, pour conduire à une écriture semi-classique du transport de charge.

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Auteur(s)

  • Olivier BOURGEOIS : Docteur en Physique de la matière condensée - Chercheur au Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

  • Hervé Guillou : Docteur en Physique de la matière condensée - Maître de conférences à l'université Joseph Fourier à Grenoble - Chercheur au LIMMS/CNRS-IIS

INTRODUCTION

Après une introduction des propriétés des électrons dans la matière, nous abordons les propriétés de transport électrique dans les solides. Notre approche est ici essentiellement phénoménologique. Le modèle classique de Drude Lorentz et le modèle quantique de Sommerfeld considérant les électrons comme des fermions sont utilisés afin d'introduire des concepts essentiels comme la densité de charge, le libre parcours moyen ou la densité d'état. Au-delà de la loi d'Ohm, ces modèles permettent de relier les propriétés de transports de charges à d'autres propriétés des solides et notamment les propriétés de transport de la chaleur. Les limites de ces modèles phénoménologiques sont soulignées et la théorie des électrons dans un réseau périodique est présentée. Cela nous permet d'introduire les concepts fondamentaux de structure de bande, surface d'énergie, masse effective et de poser une équation décrivant le transport de charge de façon semi-classique. Ces concepts sont utilisés dans le dossier suivant [D 2 602] qui aborde les aspects les plus modernes des propriétés de transport des électrons de manière statistique.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d2601


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4. Théorie semi-classique du transport

Dans cette dernière partie, nous nous attachons à établir l'équation du mouvement des électrons de Bloch sans tenir compte explicitement de la structure de bande que nous supposons connue, soit par le calcul, soit par la mesure.

4.1 Vitesse d'un électron de Bloch

Pour une particule dans une boîte quantique, le vecteur d'onde k est un bon nombre quantique, c'est-à-dire qu'il détermine directement l'énergie de la particule qui est ici l'énergie cinétique. Ainsi, la vitesse de la particule peut être directement déduite de ce nombre quantique de manière triviale en supposant que la formule classique E c = 1/2mv  2 est applicable. Cela n'est pas le cas pour un électron de Bloch.

Il est possible de montrer qu'un électron dans un état quantique spécifié par l'indice n de la bande et son vecteur d'onde k possède une vitesse moyenne :

v n ( k )= 1 k ε n ( k ) ( 76 )

Ce résultat contraste avec les modèles de Drude ou de Sommerfeld, car même sans présence d'un champ électrique, un électron de Bloch possède une vitesse moyenne non nulle.

HAUT DE PAGE

4.2 Équations semi-classiques du mouvement

L'équation ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KITTEL (C.) -   Introduction à la physique du solide.  -  Dunod (1958).

  • (2) - ASHCROFT (N.), MERMIN (D.) -   Physique des solides.  -  EDP Sciences (2000).

  • (3) - LEVY (L.) -   Magnétisme et supraconductivité.  -  EDP Sciences (1997).

  • (4) - MOTT (N.), JONES (H.) -   The theory of the properties of metals and alloys.  -  Dover (1958).

  • (5) - ABRIKOSOV (A.) -   Fundamentals of the theory of metals.  -  North Holland (1988).

  • (6) - GANG (C.) -   Nanoscale energy transport and conversion.  -  Oxford University Press (2005).

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