Physique des Matériaux

Concours Doctorat 3ème Cycle (LMD)
Spécialité : Physique des Matériaux
Programme des épreuves écrites
1ère EPREUVE
Propriétés magnétiques et diélectriques de la matière, Polymères
et Composants électroniques à semi‐conducteurs.
Date : 13/10/2015,
Horaire : 09h00-11h00
Partie A :
Propriétés magnétiques et diélectriques de la matière et polymères
I- Les phénomènes de polarisation dans la matière:
Polarisation, Energie électrostatique, Polarisabilité, Mécanismes de polarisation.
Susceptibilité et constante diélectrique. Effet de la fréquence, de la température.
II- Quelques Comportements particuliers des diélectriques :
Ferroélectricité, piézoélectricité.
III- Notions sur les polymères
Synthèse et mise en œuvre des polymères, Structure et morphologie des polymères à l'état
solide (amorphe, semi-cristallin), les transitions thermiques, la polydispersité, la tacticité
IV- Mécanismes de conduction électrique dans les diélectriques
Mécanismes contrôlés par l'interface métal-isolant, mécanismes régis par le volume,
comportement à champ électrique élevé (claquage).
V-interaction onde électromagnétique-matière
Réflexion Transmission, Absorption, Transitions inter-bandes directes et indirectes,
Transitions intra-bandes, Cas des métaux, des isolants et des semi-conducteurs.
VI-Magnétisme
Diamagnétisme,
Paramagnétisme,
Ferromagnétisme,
Ferrimagnétisme.
Quelques Applications : Effet Hall, Supraconductivité
Antiferromagnétisme
et
Partie B
Semi‐conducteurs et Composants électroniques.
I- Le semi-conducteurs à l’équilibre thermodynamique
Densité des porteurs libres : loi d’action de masse Les semi-conducteurs intrinsèques, semiconducteurs extrinsèques: Description qualitative du dopant. Equation de neutralité.
Comportement de la concentration des porteurs libres avec la température
II- Propriétés de transport de charge dans un semi-conducteur
Courant d’entraînement dans un semi-conducteur. Conductivité électrique des principaux
semi-conducteurs. Comportement de la conductivité électrique d’un semi-conducteur avec la
température, avec le dopage. Courant de diffusion dans un semi-conducteur, Effet Hall dans
un semi-conducteur
III- Phénomènes de génération et de recombinaison
Mécanismes de génération-recombinaison des porteurs libres. Transitions bande à bande, assistée par
pièges. Equation de continuité. Equation de transport. Transport ambipolaire
IV- Diodes à jonction
La diode PN : Calcul du courant : caractéristique statique I-V. Capacité de transition et de diffusion.
Phénomènes transitoires dans une diode PN : circuit équivalent.
La diode Schottky, Calcul du courant et caractéristique I-V. Comparaison avec la diode PN. Contact
ohmique, La diode tunnel, hétérojonctions
V- Structure MIS et capacité MOS
Structure métal/isolant/semi-conducteur idéale :
Diagramme de bandes d’énergie et régimes de fonctionnement. Champ et potentiel électriques
d’une structure MIS en régime de déplétion ou de faible inversion. Calcul du champ électrique, du
potentiel de surface et de la charge de la structure MIS dans le cas général.
Structure métal/oxyde/semi-conducteur réelle :
Diagramme d’énergie. Tension de bandes plates. Tension de seuil.
Capacité MOS : Caractéristique C-V hautes et basses fréquences –
VI- Transistors
Transistor à effet de champ à jonction : JFET et MESFET
Transistor à effet de champ à grille isolée : MOSFET :
Transistor MOS à canal préalable et transistor MOS à canal induit.
Principe du transistor MOSFET à canal induit. Analyse du courant de drain.
Réseau de caractéristique- conductance et transconductance.
Transistor MOSFET réel.
Concours Doctorat 3ème Cycle (LMD)
Spécialité : Physique des Matériaux
Programme des épreuves écrites
2ème EPREUVE
Elasto-dynamique, Métallurgie Physique
Date : 13/10/2015,
Horaire : 13h00-15h00
Partie A
Ondes élastiques dans les fluides et les solides
1)
Propagation des ondes acoustiques dans les fluides parfaits (non dissipatifs) :
a) Propagation des ondes planes
 Caractéristiques fondamentales d’une onde plane, Equation d’onde plane
 Ondes planes progressives et ondes planes stationnaires
 Impédance acoustique
b) Propagation des ondes sphériques divergentes
 Equation d’ondes en coordonnées sphériques, L'onde sphérique
c) Intégrale de rayonnement de Rayleigh
 Cas du piston (Champ proche, champ lointain directivité)
 Source multiéléments (Barrette linéaire)
2) Propagation des ondes acoustiques dans les fluides dissipatifs :
 Propagation dans un fluide visqueux : Equation de Navier-Stokes
 Pertes par conduction thermique
 Pertes par relaxation moléculaire
 Relation de dispersion
3) Propagation et génération d’ondes acoustiques dans un solide isotrope :
i. Fondamentaux de la mécanique des milieux continus et de la théorie de l'élasticité.
Déformations et tenseur des déformations; cas particulier des petits gradients de déplacement
Tension mécanique et tenseur des contraintes
Définition des matériaux élastiques et relations contraintes-déformations
Nombres de constantes matérielles indépendantes
Relation contraintes déformation pour les matériaux isotropes. Formulation de Green (Coefficients de
Lamé). Loi de Hooke en termes de module d'Young et de coefficient de Poisson.
f) E q u a t i o n d ' é q u i l i b r e d e Navier.
a)
b)
c)
d)
e)
ii. Problèmes dépendant du temps ou problèmes dynamiques
a) Exemples simples de problèmes dynamiques. Cas particulier du problème plan (Contraintes planes,
déformations planes)
b) Décomposition de Stokes-Helmholtz, Potentiel scalaire et potentiel vecteur
c) Ondes longitudinales et ondes transversales
d) Ondes harmoniques
e) Propagation dans un milieu homogène illimité : Equation de Christoffel, Surface des lenteurs
f)
Bilan énergétique. Vecteur de Poynting
4) Réflexion Transmission des ondes élastiques
 Interaction entre ondes planes et surfaces libres planes.
o Onde longitudinale incidente sur une surface plane libre.
o Onde transversale incidente sur une surface plane libre.
 Réflexion d'une onde SH sur une surface plane libre
o Interaction d'une onde SH sur une interface plane libre
o Interaction d'une onde SH sur une interface plane
 Réflexion d'une onde longitudinale ou d'une onde SV sur une surface plane libre
o Onde longitudinale incidente sur une interface plane.
o Onde SV incidente sur une interface plane.
 R é f l e x io n e t tr a n s mi s si o n d ' o nd e s pl a ne s à u n e in te r f a c e f lu id e - s ol id e .
5) Propagation et génération d’ondes acoustiques dans un solide piézoélectrique:
 Champ élasto-électrique
o Déformations et contraintes
o Equations du champ et conditions aux limites
o Bilan énergétique. Vecteur de Poynting
 Elasticité et piézoélectricité dans les solides anisotropes
o Relation entre contrainte et déformation
o Lois de comportement d’un matériau piézoélectrique
o Matrices des constantes élastiques et piézoélectriques des matériaux
 Ondes élastiques planes
o Propagation dans un milieu homogène illimité : Equation de Christoffel, Surface des
lenteurs et Coefficient de couplage électromécanique
o Génération : Schéma équivalent d’un transducteur, Puissance émise et Réponse
fréquentielle
Partie B
Métallurgie Physique
I)
Physico-Chimie métallurgiques et connaissances de base en sciences des matériaux :
- Métallurgie physique
- Cristallographie
- Structure électronique des solides
- Diagrammes de phases
- Traitements thermiques
- Comportement mécanique
- Thermodynamique appliquée aux métaux et alliages
II)
Défauts, diffusion, équilibre et transformations de phases
- Défauts ponctuels, linéaires, surfaciques et volumiques
- Diffusion en volume, diffusion dans les joints de grains
- Systèmes en équilibre, systèmes hors équilibre
- Transformations de phases à l’état solide
III)
Relations Microstructure-propriétés mécaniques
- Microstructure déformation
- Microstructure de transformations de phases
IV)
Propriétés électriques, thermiques, magnétiques et optiques
- Propriétés électriques et thermiques
- Propriétés magnétiques et optiques
V)
Phénomènes de recristallisation, grossissement normal et anormal des grains
- Recristallisation statique et dynamique
- Croissance normale des grains, croissance anormale