Semi-conducteurs : les bases de la théorie k.p
Guy Fishman
École polytechnique
Avant-propos
Introduction1
I Structure électronique9
1 Symétrie et fonctions d'onde
11
1.1 Les atomes des semi-conducteurs12
1.2 Fonctions de cristal périodique13
1.2.1 Fonctions de Bloch13
1.2.2 Largeur de la zone de Brillouin14
1.2.3 Normalisation des fonctions de Bloch14
1.2.4 Développement de Unk (r) en fonction des Un0 (r)16
1.2.5 Fonctions de Luttinger-Kohn17
1.3 Bande interdite et masse effective18
1.4 Une description simpliste ou pourquoi le silicium est un semi-conducteur22
1.5 Structure cristalline et zone de Brillouin26
1.6 Combinaison linéaire d'orbitales atomiques31
1.6.1 Idée directrice31
1.6.2 Les liaisons fortes31
1.6.3 Équation séculaire33
1.6.4 Structure de bande37
1.6.5 Caractère s et p des fonctions d'onde38
1.7 Symétrie des fonctions d'onde et éléments de matrice43
1.7.1 Fonctions d'onde orbitales43
1.7.2 Fonctions d'onde mélangées de spin51
1.8 Fonctions d'onde du centre de zone52
1.8.1 Les fonctions « sphériques »52
1.8.2 Les fonctions « cubiques »53
1.8.3 Utilité des notations de Luttinger-Kohn et Kane55
1.8.4 Fonction d'onde de trou56
1.9 Lexique de théorie des groupes57
1.9.1 Groupe simple (sans spin)57
1.9.2 Groupe double (avec spin)58
1.10 Semi-conducteur60
1.10.1 Définition60
1.10.2 Semi-conducteur à bande interdite « directe »61
1.10.3 Semi-conducteur à bande interdite « indirecte »61
1.10.4 Semi-conducteur à bande interdite nulle62
1.10.5 Présentation générale des semi-conducteurs64
1.11 Semi-métal71
1.11.1 Semi-métal strictement compensé71
1.11.2 Semi-métal usuel72
1.A Appendice : Fonctions et théorème de Bloch73
1.A.1 Propriétés73
1.A.2 Zone de Brillouin75
1.A.3 Doublement de maille76
1.B Appendice : Renversement du temps et « Parité » de En (k)78
1.B.1 Conjugaison de Kramers78
1.B.2 Dégénérescence de spin et dégénérescence de Kramers79
1.B.3 Pente de En (k)81
1.C Appendice : Couplage spin-orbite dans les solides81
1.C.1 Idée générale81
1.C.2 Description précise82
2 Principe de la théorie k . p
85
2.1 Théorie des perturbations86
2.1.1 Hamiltonien de départ87
2.1.2 Cas d'un niveau non dégénéré87
2.1.3 Cas d'un niveau dégénéré : renormalisation de Löwdin88
2.1.4 Cas de niveaux quasi-dégénérés : renormalisation de Luttinger-Kohn89
2.2 L'hamiltonien k p92
2.2.1 Point de départ92
2.2.2 Principe92
2.2.3 Premier cas : un seul état est important94
2.2.4 Deuxième cas : deux états sont importants95
2.A Appendice : Théorie des perturbations de Luttinger-Kohn106
2.A.1 Rappel de la théorie usuelle des perturbations106
2.A.2 Objet de l'étude107
2.A.3 Démonstration107
3 Structure de bande : I
125
3.1 Schémas de principe127
3.2 Hamiltonien sans couplage spin-orbite128
3.2.1 Ce qui est supposé connu128
3.2.2 Hamiltonien à l'intérieur de {(...)1 ; (...)5}132
3.2.3 Hamiltonien à l'intérieur de {(...)5C ; (...)5}136
3.2.4 Hamiltonien à l'intérieur de {(...)5C ; (...)1 ; (...)5}137
3.2.5 Hamiltonien projeté sur (...)5 : l'hamiltonien de Dresselhaus-Kip-Kittel143
3.3 Hamiltonien avec couplage spin-orbite148
3.3.1 Ce qui est supposé connu148
3.3.2 L'hamiltonien à l'intérieur de {(...)6 ; (...)8 ; (...)7} ou hamiltonien de Kane151
3.3.3 Hamiltonien à l'intérieur de {(...)8C ; (...)7C ; (...)6 ; (...)8 ; (...)7}154
3.3.4 L'hamiltonien projeté sur {(...)6 ; (...)8 ; (...)7} : l'hamiltonien H8 de Pidgeon-Brown162
3.3.5 L'hamiltonien projeté sur (...)8 : l'hamiltonien H4 de Luttinger-Kohn174
3.3.6 L'hamiltonien projeté sur {(...)8 ; (...)7} : l'hamiltonien 6 x 6 de Luttinger-Kohn ou hamiltonien H6178
3.A Appendice : Les coefficients F, G, H1, H2 de Dresselhaus-Kip-Kittel183
3.B Appendice : Relations entre les paramètres de Luttinger et de Dresselhaus-Kip-Kittel188
3.C Appendice : Relations entre les paramètres de Luttinger et les paramètres de Pidgeon-Brown190
3.D Appendice : Couplage spin-orbite dans les semi-conducteurs190
3.D.1 En théorie des groupes190
3.D.2 Calcul des éléments de matrice191
3.E Appendice : L'hamiltonien de Kane à grand (...)k(...)193
3.F Appendice : Passage d'une matrice sans spin à une matrice avec spin193
4 Structure de bande : II
197
4.1 Bande de valence et effet Zeeman (l'article de Luttinger)198
4.1.1 Hamiltonien relatif au niveau (...)5 dit « L » = 1198
4.1.2 Hamiltonien relatif au niveau (...)8 dit « J » = 3/2199
4.2 Décomposition de l'hamiltonien de Luttinger203
4.2.1 Idée générale203
4.2.2 Matrices utiles206
4.2.3 Liens entre les paramètres de Luttinger et les paramètres de Dresselhaus-Kip-Kittel : l'approximation sphérique207
4.3 Fonctions d'onde de l'hamiltonien de Luttinger-Kohn207
4.4 Influence de l'absence de centre d'inversion211
4.4.1 L'hamiltonien de Kane211
4.4.2 Perturbations venant des autres bandes214
4.5 Les semi-conducteurs à bande interdite nulle220
4.6 Hamiltonien de contrainte222
4.6.1 Nomenclature222
4.6.2 Généralités222
4.6.3 Notations224
4.6.4 L'hamiltonien de Bir-Pikus227
4.6.5 L'hamiltonien de Bir-Pikus-Pidgeon-Brown229
4.6.6 Cas des ellipsoïdes232
4.6.7 Influence d'une contrainte uniaxiale sur les dispersions en énergie en (...)8232
4.6.8 Cas où k = (0, 0, kz)234
4.6.9 Influence d'une contrainte biaxiale sur les dispersions en énergie en (...)8235
4.7 Description en masse effective d'un donneur237
4.7.1 Bande interdite directe237
4.7.2 Bande interdite indirecte243
4.8 Description en masse effective d'un accepteur244
4.9 Hamiltonien effectif245
4.10 La wurtzite (GaN, CdS, CdSe)251
4.10.1 Description quasi-cubique251
4.10.2 La wurtzite (Groupe C6v)254
4.11 Onde évanescente259
4.11.1 « Hamiltonien » k . p non hermitique259
4.11.2 Une description simple260
4.11.3 Utilisation de la matrice Pidgeon-Brown261
4.A Appendice : Termes impairs en k263
4.A.1 Notations liées au couplage spin-orbite263
4.A.2 Termes linéaires en k dans la bande de valence (...)8264
4.A.3 Absence de termes linéaires en k dans la bande de conduction (...)6 de la blende de zinc265
4.A.4 Termes en k3266
4.B Appendice : La matrice 14 x 14 ou hamiltonien H14269
4.C Appendice : Remarque sur la fonction enveloppe276
4.D Appendice : Théorie k . p au point L du germanium276
4.E Appendice : Transformation de Broido-Sham279
5 Landé et Landau
283
5.1 Effet Zeeman et facteur de Landé284
5.1.1 Hamiltonien de conduction en présence d'un champ magnétique284
5.1.2 Facteur de Landé des électrons de conduction286
5.1.3 Effet Zeeman de la bande de valence : un aperçu287
5.2 Niveaux de Landau288
5.2.1 Niveaux de Landau d'une particule de charge (...) e et de masse m289
5.2.2 Bande de conduction290
5.2.3 Bande de valence291
6 Hétérostructures
299
6.1 La problématique Harrison-BenDaniel-Duke301
6.1.1 L'article de Harrison301
6.1.2 L'article BenDaniel-Duke302
6.2 Puits carré303
6.2.1 Définition303
6.2.2 Puits fini à masse constante303
6.3 L'approximation clef305
6.4 Bande de conduction305
6.4.1 Cas du puits infini305
6.4.2 Cas du puits fini307
6.4.3 Cas où la masse est anisotrope309
6.5 Bande de valence310
6.5.1 Cas du puits infini310
6.5.2 Cas du puits fini316
6.6 Densité d'états318
6.A Appendice : L'hamiltonien de Burt-Foreman320
6.A.1 Rappel320
6.A.2 Point de départ321
6.A.3 Hamiltonien sans couplage spin-orbite323
6.A.4 Hamiltonien tenant compte du couplage spin-orbite327
6.B Appendice : Bande de valence dans un puits infini332
6.B.1 Calculs préliminaires332
6.B.2 Calcul des masses planaires334
6.C Appendice : Au delà de la masse effective et du puits infini335
6.C.1 Un puits fini peut-il être considéré comme infini ?335
6.C.2 Variation de l'énergie en fonction de la largeur du puits336
6.C.3 Remarque sur la fonction d'onde dans un puits infini336
II Optique et excitons337
7 Quelques propriétés optiques des solides
339
7.1 Système d'unités340
7.2 Origine de l'indice optique340
7.2.1 Cas d'une fréquence de couplage342
7.2.2 Cas de plusieurs fréquences de couplage349
7.2.3 Influence du champ local353
7.2.4 Courbe de dispersion des phonons356
7.2.5 Loi de Snell-Descartes359
7.3 Constante diélectrique et indice complexes359
7.4 Absorption, dispersion et réflectivité363
7.A Appendice : Relations de Kramers-Kronig370
8 Molécule d'hydrogène & énergie d'échange électron-électron
373
8.1 L'atome d'hydrogène374
8.2 Autres atomes378
8.2.1 Les fonctions d'onde378
8.2.2 Transitions optiques381
8.3 La molécule d'hydrogène ionisée H+2387
8.3.1 Hamiltonien387
8.3.2 Approximation des combinaisons linéaires d'orbitales atomiques au approximation CLOA388
8.3.3 Approximation des liaison fortes389
8.3.4 L'énergie389
8.3.5 Fonction d'onde et probabilité de présence392
8.4 La molécule d'hydrogène H2394
8.4.1 L'approximation des combinaisons linéaires d'orbitales atomiques394
8.4.2 Orbitales atomiques et moléculaires dans l'approximation de Hartree396
8.4.3 Notations397
8.4.4 Énergie directe et énergie d'échange398
8.4.5 Approximation de Heitler-London : orbitales atomiques avec échange399
8.4.6 Approximation de Hund-Milliken : orbitales moléculaires avec échange402
8.4.7 Critiques et améliorations402
8.5 Extension aux autres molécules403
8.A Appendice : Hamiltonien d'Heisenberg405
9 Exciton
407
9.1 Correspondance trou-électron408
9.1.1 Définition408
9.1.2 Énergie du trou409
9.1.3 Vecteur d'onde du trou410
9.2 L'exciton dans un modèle simple412
9.2.1 États liés414
9.2.2 États non liés419
9.3 L'exciton dans les semi-conducteurs réels419
9.4 Exciton à deux dimensions421
9.A Appendice : Exciton piégé422
10 Absorption
425
10.1 Généralités425
10.1.1 Optique425
10.1.2 Hamiltonien426
10.1.3 Probabilité de transition427
10.1.4 Définition du coefficient d'absorption428
10.2 Semi-conducteur massif : absorption bande à bande429
10.2.1 Élément de matrice429
10.2.2 Coefficient d'absorption430
10.2.3 Transition directe interdite438
10.2.4 Transition indirecte439
10.2.5 Transition pseudo-directe442
10.3 Semi-conducteur massif : absorption des excitons442
10.3.1 Description des excitons442
10.3.2 Élément de matrice443
10.3.3 Cas des excitons libres445
10.3.4 Cas des excitons piégés448
10.4 Semi-conducteur à deux dimensions (plan quantique)449
10.4.1 Description du plan quantique449
10.4.2 Absorption450
10.5 Forces d'oscillateur451
11 Énergie d'échange électron-trou et polariton excitonique
455
11.1 L'origine de l'interaction d'échange électron-trou457
11.2 Énergie d'échange dans les excitons de Wannier461
11.2.1 Énergie d'échange d'exciton et énergie d'échange atomique461
11.2.2 Cas où il n'y pas de couplage spin-orbite463
11.2.3 Cas où le couplage spin-orbite joue en rôle463
11.3 Complément sur les fonctions d'onde des excitons libres467
11.4 La séparation longitudinal-transverse des excitons468
11.4.1 Sommes dipolaires468
11.4.2 Aperçu sur la théorie d'Hopfield471
11.5 Forces d'oscillateur472
11.5.1 Exemples472
11.5.2 Semi-conducteur sous contrainte473
11.5.3 Polariton avec une seule masse de trou476
11.5.4 Polaritons lourds et légers481
III Transport485
12 La « Loi de Newton » des solides cristallins
487
12.1 Ondes planes et fonctions de Bloch487
12.2 Moment cristallin488
12.3 Vitesse488
12.4 Accélération : « loi de Newton »489
12.5 Bande pleine et trou491
12.6 Masses effectives493
12.6.1 Masse effective de densité d'états493
12.6.2 Masse effective de mobilité496
13 Influence d'un champ magnétique
503
13.1 Effet Hall504
13.1.1 Principe de l'effet Hall504
13.1.2 Effet Hall à deux types de porteurs507
13.1.3 Rôle du temps de relaxation de la quantité de mouvement et magnéto-résistance509
13.1.4 Tenseur de conductivité512
13.2 Résonance cyclotron513
13.2.1 Principe513
13.2.2 Cas d'une masse anisotrope513
13.2.3 Rôle du temps de collision519
13.A Appendice : Masse cyclotron de la bande de valence522
14 Équation de Boltzmann
525
14.1 Préliminaire : section efficace, temps de relaxation, libre parcours moyen525
14.2 Équation de Boltzmann monobande528
14.2.1 Présentation générale528
14.2.2 Calcul du temps de relaxation dans le cas élastique536
14.2.3 Exemple : ensemble de potentiels décorrélés d'impuretés ionisées537
14.3 Équation de Boltzmann multibande (Théorie de Siggia-Kwok)540
14.3.1 Exemple : cas de 2 bandes544
14.3.2 Mobilité des électrons de conduction544
14.3.3 Mobilité des trous de la bande de valence (...)8545
14.A Appendice : Résultats utiles547
14.A.1 Quelques résultats mathématiques547
14.A.2 Quelques valeurs numériques548
15 Interaction électro-phonon
549
15.1 Préliminaires549
15.1.1 L'oscillateur harmonique549
15.1.2 Sommes550
15.2 Hamiltonien des phonons acoustiques551
15.3 Potentiel de déformation557
15.4 Temps de relaxation559
15.4.1 Semi-conducteur massif (à trois dimensions)559
15.4.2 Semi-conducteur à deux dimensions560
15.5 Semi-conducteur polaire562
16 Transport dans les semi-conducteurs à deux dimensions
565
16.1 Préliminaire565
16.1.1 Notations565
16.1.2 Transfouriées à deux dimensions565
16.1.3 Une autre écriture de la fonction de Fermi-Dirac566
16.1.4 Densité d'électrons en fonction de la température567
16.1.5 Coefficients de transmission568
16.2 Écrantage et constante diélectrique571
16.2.1 Semi-conducteur à trois dimensions571
16.2.2 Semi-conducteur à deux dimensions572
16.2.3 Constante diélectrique à température finie575
16.3 Transport « horizontal » : diffusion par des impuretés ionisées576
16.4 Transport « vertical » : courant tunnel578
16.4.1 Courant à travers une barrière578
16.4.2 Courant « à trois dimensions »582
16.4.3 Transport à travers une double barrière583
IV Annexes587
A Notations et relations utiles
589
A.1 Notations générales589
A.2 Atome d'hydrogène591
A.3 Hamiltoniens dans les semi-conducteurs591
A.4 Représentations irréductibles592
A.5 Fonctions de base592
A.6 Éléments de matrice593
A.7 Hamiltonien sans spin593
A.8 Hamiltonien avec spin594
A.9 Relations entre les paramètres de Luttinger et les paramètres de Pidgeon-Brown595
A.10 Liens entre les paramètres de Luttinger et les paramètres de Dresselhaus-Kip-Kittel596
A.11 Relations liées au spin598
A.12 L'interaction d'échange électron-trou599
A.13 Conjuguée de Kramers600
A.14 Optique601
B Seconde quantification
603
B.1 Notations604
B.2 Cas des fermions606
B.2.1 Définitions606
B.2.2 Opérateur à une particule607
B.2.3 Opérateurs de destruction et de création608
B.2.4 Opérateurs à deux particules611
B.2.5 Hamiltonien en seconde quantification612
B.2.6 Opérateurs de champ612
B.3 Cas des bosons614
B.3.1 Définitions614
B.3.2 Opérateurs de destruction et de création615
B.3.3 Opérateurs de champ616
B.4 En bref616
B.5 Exemples617
B.5.1 Opérateur nombre de particules617
B.5.2 Opérateur densité de particules617
B.5.3 Potentiel de Coulomb617
B.5.4 Opérateur courant618
B.5.5 Évolution du nombre d'occupation et du moment total620
C Transformée de Fourier en physique du solide
625
C.1 Nomenclature625
C.2 Cas général625
C.3 En physique du solide626
C.4 Cas particuliers628
C.5 Transfouriée temporelle628
D Constante diélectrique de Thomas-Fermi et Debye-Hückel
629
E Relaxation de spin
633
E.1 Généralités sur la relaxation de spin634
E.1.1 Les deux types de collision634
E.1.2 Les différents types d'interaction635
E.2 Processus de relaxation636
E.2.1 Relaxation due à la collision636
E.2.2 Relaxation entre les collisions639
E.2.3 Relaxation dans la bande de valence640
F Résistance tunnel
641
F.1 Définition de la résistance tunnel641
F.2 Temps tunnel643
F.2.1 Introduction643
F.2.2 Fonction d'onde d'un puits quantique644
F.2.3 Calcul de deltaE646
F.2.4 Temps tunnel647
F.3 Résistance tunnel648
F.3.1 Densité d'états à une dimension648
F.3.2 Lien entre le temps tunnel et la différence de potentiel648
F.3.3 Transmission quantique650
F.3.4 Explicitation du temps tunnel650
F.3.5 Calcul de la résistance tunnel651
G Fonction d'autocorrélation et approximation de Born
653
G.1 Défauts de surface654
G.2 Fonction d'autocorrélation et approximation de Born654
G.2.1 Fonction d'autocorrélation654
G.2.2 Relation avec l'approximation de Born655
G.3 Surface rugueuse656
G.3.1 Description de la surface656
G.3.2 Temps de relaxation de la quantité de mouvement657
H Courant de probabilité et masse effective
661
H.1 Fonction de conduction sans spin662
H.1.1 Masse effective et fonction d'onde662
H.1.2 Courant de probabilité662
H.2 Fonction de conduction avec spin663
H.2.1 Masse effective et fonction d'onde663
H.2.2 Courant de probabilité664
H.3 Conclusion665
I La matrice 30 x 30667
I.1 Fonctions de base667
I.2 Éléments de matrice et notations668
I.3 La matrice 30 x 30668
J Quelques coefficients de Clebsch-Gordan
681
J.1 Table de comptabilité682
J.2 Table de multiplication684
J.3 Mode d'emploi685
J.4 Tables de coefficients de Clebsch-Gordan686
K Constantes
693
K.1 Origine693
K.2 Constantes de base693
K.3 Constantes utiles dans les semi-conducteurs694
K.4 Equations aux dimensions695
Bibliographie697