HAL Id: jpa-00234478
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Une théorie des fluctuations électriques dans les semi-conducteurs
M. Surdin
To cite this version:
M. Surdin. Une théorie des fluctuations électriques dans les semi-conducteurs. J. Phys. Radium,
1951, 12 (8), pp.777-783. �10.1051/jphysrad:01951001208077700�. �jpa-00234478�
UNE
THÉORIE
DES FLUCTUATIONSÉLECTRIQUES
DANS LES SEMI-CONDUCTEURS Par M. SURDIN.Commissariat à
l’Énergie Atomique.
Laboratoire du Fort de Châtillon,Fontenay-aux-Roses (Seine).
Sommaire. - Quand on fait passer un courant constant à travers un filament semi-conducteur,
ou un cristal détecteur, comportant un contact métal-semi-conducteur, on observe à leurs bornes des
fluctuations électriques dont l’intensité est de plusieurs puissances de I0 supérieure à celle que donne rait l’effet thermique ou l’effet de grenaille.
Après avoir rappelé brièvement les résultats expérimentaux essentiels relatifs à ce « bruit supplé-
mentaire », l’auteur propose une théorie du phénomène basée sur la fluctuation du nombre des électrons de conduction dans le cas du filament, et du nombre des « centres donneurs » de la barrière de
potentiel dans le cas du contact métal-semi-conducteur.
PHYSIQUE
12, 1951,
1. Introduction. -
L’emploi généralisé
descristaux détecteurs dans la
technique
des ondescentimétriques
et lesprogrès récents, accomplit-
dans l’étude et la construction des transistors ont à nouveau attiré l’attention sur les semi-conduc- teurs
(s. c.) ;
eneffet, plusieurs
théories des fluc- tuàtionsélectriques
dans les s. c. et les cristauxdétecteurs ont été avancées récemment
[1], [2], [3].
Ces
théories,
ainsi que celleexposée
dans leprésent mémoire,
ont pour butd’expliquer
les fluctuations«
supplémentaires »
observéesexpérimentalement
et
qui
nepeuvent
pas être attribuées aux effetsthermiques
et degrenaille (shot effect).
L’intérêt de cette théorie nous semble résider dans le fait
qu’elle
attribue ce « bruitsupplémentaire
»dans les semi-conducteurs aux fluctuations du nombre des électrons de conduction et le « bruit
supplémentaire »
dans les cristauxdétecteurs,,
à lafois,
aux fluctuations du nombre des « centres donneurs » de la barrière depotentiel
et aux fluc-tuations du nombre des électrons de conduction dans le s. c. La théorie
s’apparente
ainsi à la théorie des fluctuations de résistance[4]
et à celle du« flicker effect »
[5].
, .Dans ce
qui suit, après
un brefrappel
des résultatsexpérimentaux,
on étudie d’abord les fluctuations de résistancequi
intéressent tout le volume du s. c.,ensuite,
on expose une’ théorie des fluctuations de la couche limiteet,
enparticulier,
de celle du contact métal-s. c.2. Résumé des résultats
expérimentaux [6], [7].
- Soit y unegrandeur physique
fluctuante.On
appelle
«composante spectrale
d’intensité de y » à lafréquence
v, le carré moyen de la fluctuationrapporté
à une bandepassante
unité. Nous ladésignerons
dans cequi
suit par C. S. I. ou paryv .
Les
principaux
résultatsexpérimentaux
relatifsaux fluctuations intéressant tout le volume du s. c.
(fluctuations
derésistance)
et aux fluctuations dans lacouche
limite,
sont similaires etpeuvent
se résumercomme suit :
a. Aux très basses
fréquences
la C. S.I., iv,
ducourant
parcourant
lesemi-conducteur,
est deplu-
sieurs
puissances
de 10supérieure
à celle que l’onpourrait,
déduire de l’effetthermique
relatif à la·résistance du _
semi-conducteur,
ou de l’effet degrenaille relatif
au cristaldétecteur;
b. Dans de
larges
limites defréquence, i;
décroîtavec la
fréquence
suivant une loien vh2 ,
où M 1 ;c.
Pour lesfréquences
encoreplus élevées, i,’
décroîtsuivant une loi
en
où cette fois m’ 1"-1 2 ;’
d. lj,
estproportionnel
àIn, avec
n - 2, où I est le courant moyenparcourant
le cristal.3. Théorie des fluctuations de résistance du semi-conducteur. - Considérons un monocristal
Fig. 1.
filiforme AB d’un semi-conducteur alimenté par une source de courant constant
(fig. I ).
Soit 1 l’intensité du courant continu
parcourant
le s. c. et R la résistance de la
portion
du s. c.comprise
entre lespoints
C etD,
nous supposerons quel’impédance d’entrée
del’amplificateur
est trèsgrande
parrapport
à R.En l’absence du
courant,
on mesure aux bornes CDune force électromotrice de fluctuation due à l’effet
thermique
dont la C. S. I. est donnée parArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01951001208077700
778
où
k = 1,38. 10-23 J. degré-l
est la constante deBoltzmann; T,
latempérature
absolue du s. c. endegrés
Kelvin.(Î,2-)T
estindépendante
de la fré- quence v.La force électromotrice de fluctuation se mesure aux bornes C D à l’aide d’un
amplificateur
sélectifqui
débite dansun’ thermocouple
et ungalvano- mètre,
de sorte que l’indication dugalvanomètre
estproportionnelle
ày3.
Quand
on fait passer le courantI,
on constate que la force électromotrice de fluctuation aux bornes CD s’accroît considérablement. Dans cecas la C. S.
I., (-él-2 )R,
varie comme le carré ducourant;
elle
dépend
de lafréquence
suivant les lois décritesau
paragraphe précédent.
Pour
expliquer
cet accroissement de la force électromotrice defluctuation, nous admettrons
que le « bruitsupplémentaire »
est dû aux fluctuations du nombre des électrons deconduction,
cequi
se traduit par des fluctuations de la résistance R du s. c.
Aux bornes
CD,
latension
E = RI fluctue et l’on a’
Calculons 0R2.
Soit N le nombre total des électrons de conduction contenus dans le volume du s. c.
compris
entre Cet
D,
et u la conductibilité du s. c. ; on aA
partir
de(2)
et(3)
il vient ,’
Or,
on a[8]
d’ou
Si
No
est la valeur moyenne deN,
onpeut
écrireoù M est la
partie
fluctuante de N. M est un nombre trèspetit comparé
àNo,
maiscependant
assezgrand
pour que l’onpuisse
le considérer comme unefonction continue du
temps
t.Soient
( e00FF )R et M
lesC.
S.. I. de la force électro- motrice de fluctuation de résistance et du nombre des électrons deconduction; l’équation (5)
s’écritalors il
(1) Dans le cas où la résistance d’entrée de l’amplificateur
Pour étudier la variation de
Mv’
en fonction de lafréquence
v,analysons
le mécanismeélémentaire responsable
des fluctuations. Nous admettronsavec
J. Bernamont
[4} qu’un
électron de conduction a une vie moyenne Tlx
x où a est la constante derecombinaison.
Après
ungrand
nombre de chocsélastiques
de l’électron libre avec les ions du réseaucristallin,
l’électron estcapturé
par un ion et cessed’être libre.
Ainsi,
ungroupe
d’électrons libres com-prenant,
à uninstant
donné Aélectrons, après
untemps
t necomprendra
que Aeïxt ’électrons,. Pour compenser cespertes
d’autres électrons sont libérésau hasard
pendant
cet intervalle detemps.
Le
temps qui
s’écoule entre deux chocsélastiques
est très court(as io-ii s) comparé
à lavie moyenne
z( xw
Io-°s);
parconséquent,
les chocsinélastiques
sont assez rares pourqu’on
n’ait pas à modifier sensiblement leséquations
donnant la con-ductibilité
électrique (2).
Écrivons
que le taux dedisparition des
électronsest
proportionnel
au nombre Mqui représente
l’écart entre le nombre instantané N et le nombre le
plus probable No. Puisque Tr 0
No i, on aSupposons
d’abord occonstant, indépendant
dela vitesse des
électrons,
et calculons la fonction de corrélationMMI ;
pourcela, multiplions
membre àmembre
l’éqùation (8), prise
à l’instantti,
par la mêmeéquation prise
à l’instant11 - t
et faisons la moyenne parrapport
àti.
En tenantcompte
despropriétés
des fonctions de corrélation[9],
il vientD’où
La C. S. I. de M est donnée par
l’expression
sélectif est petite comparée à R, on a pour la C. S. I.
( i# )R,
du courant fluctuant
(2) Nous considérons ici un s. c. intrinsèque; dans le cas
d’un s. c. extrinsèque, c’est-à-dire contenant des impuretés, les raisonnements s’appliquent encore, à condition de tenir compte des fluctuations du nombre des « centres donneurs ».
779 En
intégrant,
on trouveCombinons
(7)
et(12),
on obtientComme les électrons de conduction dans un s. c.
obéissent à la
statistique
deMaxwell-Boltzmann,
on a
d’où
.
On voit que la C. S. I. de la force électromotrice de fluctuation est bien
proportionnelle
au carré ducourant moyen.
Cependant
sa variation en fonctionde la
fréquence
necorrespond
pas aux résultats’ expérimentaux
citésplus
haut. Eneffet,
pour desfréquences
faibles telles que 2zv oc, on ala C. S. l. est
indépendante
de lafréquence;
pour desfréquences
trèsélevées,
telles que 2 zv >-a, on aet la C. S. I. varie comme
I/v2,
mais on ne retrouve pasla portion
de la courbeou (ë1)R
variecomme
vPour obtenir cette
partie
de lacourbe, généra-
lisons les considérations
précédentes
en attribuantà
chaque
groupe d’électrons dont la vitesse estcomprise
entre v et v+
dv une constante de recom-binaison
comprise
entre ce et a+
da,Soit,
d’autrepart, Mà
le carré moyen de M relatif à ce groupe d’électrons. Examinons le cas leplus simple,
où lesdifférents groupes d’électrons sont
indépendants,
on aoù «1 et a2 sont les constantes limites
correspondant
- aux groupes dont les vitesses sont v = o et v = oo.
La
répercussion
sur(eJ)R
de lagrandeur Mx qui
caractérise un groupe d’électrons est d’autant
plus grande
que la constante de recombinaison corres-pondante
a une valeurplus
faible. Choisissons pourMâ
la forme laplus simple : Mx
=justifiée, d’ailleurs,
a
par les résultats obtenus.
Dans ces
conditions, intégrons (16 b),
il vient(16 a)
devient alorset, après intégration,
L’expression (18)
estsymétrique
parrapport
à oei et 03B12; choisissons donc 03B12
plus grand
que 03B11, etplaçons-nous
dans le cas où a2 > a1, donné parl’expérience. Étudions
cetteexpression
dans lestrois cas suivants :
(ei)R
estindépendante
de lafréquence
1J.b.
a1 c Z Tv oc2;
on a(e2v)R
varie en fonction de lafréquence
comme1.
v·(e2v)R varie
en fonction de lafréquence comme V2
v 2CI).
De ce
qui précède,
on voit que(e00FF)H
est propor- tionnelle à 12 et l’on retrouve les trois branchesexpérimentales
de la courbe de(Î’2 ^ R,
en fonctionde v.
Considérons le cas d’un filament de
germanium
dont les données sont les suivantes
(4) :
R = IOOOQ, 1= IO-2A,-
v = tooo Hz,
NO = 1011;supposons, d’autre
part, log 121
03B11 N 20.(3) Les écarts maxima des courbes (19), (20) et (21) de la
courbe exacte (18) se produisent pour les fréquences 2 irv, = a, et 2 7,,), = a2; ces écarts sont de l’ordre de
03C0 ’
(4) Je remercie M. H. C. Montgomery, Bell Telephone Laboratories, de m’avoir précisé, dans une communication privée, les données expérimentales relatives à ses expériences.
780
Portons ce valeurs dans
l’équation (20),
il vientL’effet
thermique
donneraitd’où
4.
Théorie
des fluctuationsélectriques
dansun contact métal-s. c. - Avant d’aborder l’étude des fluctuations du courant traversant un contact
métal-semi-conducteur,
nous allons passer en revue lespropriétés physiques
d’un tel contact.Fig.2.
On sait
18] qu’au
contact d’un métal avec un s. c.extrinsèque
il se forme du côté du s. c.(à)
unecouche limite dite « couche de
barrage » (fig. 2).
Cette
couche,
de faibleépaisseur,
ne contientprati-
,
quement
qu lescharges positives
des « centresdonneurs
»(6).
.Plusieurs théories ont été avancées pour
expliquer
le
comportement
d’un tél contact. Les deuxplus
répandues
sont. : ,a. La théorie de la
diffusion, applicable quand l’épaisseur
de la « couche debarrage »
estgrande, comparée
au libreparcours
moyen desélectrons;
b. La théorie de la diode
qui s’applique
au casoù
l’épaisseur
de la couche estpetite,
en compa- raison avec le libre parcours moyen des électrons.Cette dernière théorie semble mieux
s’appliquer
aux cristaux détecteurs de
germanium
et silicium.C’est le cas
qui
nous intéresse ici.Soient :
Jm,
la densité du courantélectronique
allant dumétal au s. c. ;
J,
la densité du courantélectronique
allant dus. c. au
métal;
(à) Nous considérons ici le cas d’un semi-conducteur du
type n, le cas d’un s. c. du type p s’en déduit aisément.
(s) Tout se passe, en quelque sorte, comme si les électrons de conduction du s. c. s’étaient déversés dans le métal.
J,
la densité du courantélectronique résultant;
V,
la tensionappliquée
aucristal;
03A6O,
la hauteur de la barrière depotentiel;
D, l’épaisseur
de la barrière pour une tensionappliquée V;
;Do, l’épaisseur
de la barrière pour une tensionappliquée
V = o; ,n, la densité des électrons de conduction dans
le s. c.; ,
p, la
densité
des « centres donneurs » dans labarrière;
E, la constante
diélectrique
du s. c.;ç, la
charge
del’électron;
m, la masse de l’électron.
Dans la théorie
de
ladiode,
on démontre les formulessuivantes :
Nous allons modifier les formules
précédentes
comme suit :
Soit S la section moyenne de la barrière de
potentiel
parcourue par le
courant;
S est de l’ordre de gran- deur de la section de lapointe métallique
en contactavec le s. c. Dans les cas
habituels,
S ~ 10-6 cm2.Soient P =
pSD
le nombre total des « centres donneurs ’ » contenus dans le volume SD de la barrière et N le nombre total des électrons de conduc- tion contenus dans le volume du s. c.parcouru
par le
courant;
on a N =anSL,
où L estl’épaisseur
de la
pastille
du s. c. et a une constantenumérique qui
tientcompte
del’épanouissement
deslignes
decourant dans le s. c.
Le courant total est donné par
avec
Considérons maintenant les différents effets de fluctuation
qui
serapportent
au cristal :10 L’effet de
grenaille.
La C. S. I. est donnée dansce cas par,
car les fluctuations des deux courants sont indé-
pendantes.
2o L’effet
thermique
dans la « résistance d’étale- ment » du contact. Soit o- laconductibilité
du s. c., r le rayon du filmétallique
au contact avec le s. c. ;la « résistance d’étalement »
s’écrit
alorsLa C. S. I. de l’effet
thermique
est donnée parDans la gamme des
fréquences qui
nous inté-resse
(fréquences
inférieures àquelques
Mc :s),
leseffets cités
plus
haut sontindépendants
de la fré- quence.30 Les fluctuations de la barrière de
potentiel
que nous attribuons aux deux effets suivants :
a.
Les
fluctuations du nombre P des « centres donneurs ». Ces fluctuations sont dues auxmigra-
tions des « centres donneurs » à
travers
la surfacelimitant
le volume intéresséSD;
b. Les fluctuations du nombre N des électrons de conduction dans le volume aSL résultant de la recombinaison avec les « centres donneurs » contenus dans ce volume. Cet effet
correspond
aux flùctua-tions de résistance étudiées au
paragraphe précédent.
Nous admettrons que ces deux effets sont indé-
pendants.
Dans cesconditions,
la C. S. I. de lafluctuation du courant est donnée par
Le
premier
terme est relatif aux électrons etcorrespond
aux fluctuations de résistance[éq. (7 a)] ;
le deuxième terme,
qui
estgénéralement prépon-
dérant dans les cas
pratiques,
est relatif aux « centres donneurs ».Pour étudier
l’analyse
enfréquence
de(1§)B,
reprenons les raisonnements du
paragraphe précédent
en
posant
--et soient al et a2,
03B21 et 92
les constantes de recombi- naisonlimites
relatives aux électrons et aux« donneurs »,
respectivement.
Posonset comme
plus
hautl’équation (29)
devientPour de très faibles
fréquences,
le dernier termel’emporte
debeaucoup sur
lepremier;
ce n’estqu’aux fréquences plus
élevées quele premier
terme devient
important.
En bassesfréquences
onpeut
utiliserl’expression approximatives
Considérons
l’exemple
suivant :On a
prenons
et
-portons
ces valeurs dansl’équation (32),
on aSupposons
que la résistance du cristal soit de300 03A9,
on a
Pour une même
résistance,
l’effetthermique
donneLa
température équivalente
est : ’5. Discussion. - Dans le cas le
plus général,
on
peut
considérer unsemi-conducteur,
une résis-tance à structure
granuleuse (résistance
àcarbone, microphone
àgranules
decharbon, etc.),
les couchesmétalliques minces, etc.,
comme étantcomposés
demicro-cristaux en contact
plus
ou moins intime.,Quand
on étudiera les fluctuations dans ces struc- tures «granuleuses
», on aura à tenircompte,
enplus
de l’effetthermique
et de l’effet degrenaille,
aussi bien des fluctuations de résistance que de
51
782
celles de la couche de transition entre
granules;
on
appliquera
une formule dutype- (31), qui comprend
les deux effetssupplémentaires.
Les deux
fonctions Ç (oc,,
OC2,v) et Ç (gl’ 03B22’ v),
l’une relative aux
électrons,
l’autre aux « centresdonneurs » ont même allure
générale. Toutefois,
étant donné la
plus
faible mobilité des « donneurs »,03C8 (91, 03B22’ v)
n’aura une valeurimportante qu’aux
très basses
fréquences,
mais seranégligeable devant 03C8 (03B11,
OC2;v) pour
lesfréquences plus
élevées.Au
paragraphe
4 nous avons étudié les fluctua- tions de la barrière depotentiel
dans le cas de lathéorie de la diode. On
pourrait reproduire
desraisonnements
similaires
dans le cas de la théorie de la diffusion.APPENDICE.
Étude
des fluctuations de résistance dans le cas des courants très forts(7).
Reprenons l’équation (7)
duparagraphe 3,
on aNous avons
déjà remarqué
que(ëJ") R
était propor- tionnelle à J2.Cependant, l’expérience
montre que, pour des courantscroissants, (e;) R
croît moins vite que 12 et tend à devenirproportionnel
à I pour des très forts courants.Pour obtenir
(A.1)
nous avons admisimplici-
tement que la loi d’Ohm
s’appliquait
au s. c. et quesa conductibilité était
constante, indépendante
duchamp électrique
Fappliqué
au s. c. En d’autrestermes, F pouvait
être considéré comme une faibleperturbation,
cequi permettait d’appliquer
au s. c.la théorie de Lorentz-Sommerfeld. Cette condition s’écrit
FI.. kT,
KTe ou est le libre parcours moyen des électrons."Si le
champ électrique
Fappliqué
au s. c. devientsuffisamment élevé pour que cette relation ne soit lus valable et que
l’on ait’Fk> kT ) c’est-à-dire
que l’énergie acquise
par I’électron entre deux chocs estgrande comparée
àl’énergie
moyenned’agita-
tion
thermique,
la théorie de conduction de Lorentz- Sommerfeld nes’applique plus.
Nous
envisagerons
les deux cas suivants :où L est la
longueur
totale du s. c.(’) Voir aussi [10] et [11].
r a Considérons d’abord le cas
Soit v la vitesse de
l’électron, y l’angle
que fait la vitesse avec l’axe ducylindre (que
forme lefilament s.
c.)
dont lalongueur
est L. La contribu- tion d’un électron au courant total estFormons le
produit ôi(t
+0)
ôi(0,
, on aoù 1 est la
longueur
du parcours libre del’électron
de vitesse v. Comme letemps
moyenqui
s’écoleentre deux chocs successifs de l’électron sur les ions du réseau est très court
( 10-18 s) comparé
aux inverses des
fréquences qui
nousintéressent,
la C. S. I.ôi00FF,
pour lesfréquences
vÏ’ en
tenantcompte
de(A.3),
s’écritPour tous les
électrons, supposés indépendants,
nous devons
prendre
lamoyenne
sur toutes lesvitesses,
tous les parcours et tous lesangles
y, il vientpuisque
pour lesintensités
deschamps électriques
considérés
on aCOS2 y
= r. n est ladensité
desélectrons
de conduction
et S lasection
du s. c.Or,
comme le courant moyen est donné par(A. 5)
devientD’après (A.7), iÿ
seraitproportionnel
à I.Cepen- dant,
pour des fortes valeurs duchamp électrique,
À
croît,
de sortequ’en fait 1§
croîtplus
vite avec Ique ne
l’indique (A. 7).
2° Considérons maintenant
le
cas extrême oùOn
devrait,
dans ce cas, retrouverpour îv’ l’expres-
sion de l’effet de
grenaille
dans une diode saturée.Soit un électron se trouvant à une distance x de l’électrode au
potentiel positif (fig. 3).
Commedans le cas
précédent,
on aet
Fig. 3.
Calculons
la
C. S.I., ài,;--,
pour desfréquences
1.1
C v ,
il vientx
Pour les électrons se trouvant dans la tranche dx à la
distance x,
on aet pour tous les électrons du s. c. on
obtiendra 1)
en
intégrant (A. 10)
de zéro àL,
soitFaisons la moyenne sur toutes les vitesses v et tous les
angles
q ; on aComme
1 = ev Sn,
on ac’est
l’expression
de la C. S. I. de l’effet degrenaille
dans une diode saturée.
Nous pourrons conclure en disant que la C. S. I.
du courant de fluctuations de résistance croît en
fonction du
courant I,
d’abord comme 12 pour deve- nirproportionnelle
à 7 aux très forts courants.Manuscrit reçu le 13 avril 19 1.
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