Chapitre 1 De la génération au transport de charges dans le PEbd irradié
1.4. Mécanismes de génération et de transport de charges dans le PEbd
1.4.4. Mécanismes de transport dans le volume du diélectrique
Sous l’action continue du champ électrique, de la température ou de la densité de pièges dans le PEbd, les mécanismes d’injection décrits ci-dessus vont libérer des charges qui migreront dans le volume du diélectrique. Suivant leur densité et leur nature (électrons, ions), il impacteront plus ou moins la répartition globale des charges au sein du matériau et donc la distribution du champ électrique interne. Les modèles décrivant la conduction volumique dans les diélectriques distinguent les contributions du transport dues aux charges électroniques (conduction électronique) de celles dues aux ions (conduction ionique).
1.4.4.1. Transport électronique
Les porteurs de charges injectés dans le volume du diélectrique peuvent être transportés suivant divers mécanismes. Nous limiterons notre étude à la conduction par saut (ou Hopping) à l’échelle microscopique et à la conduction limitée par charge d’espace à l’échelle macroscopique.
Conduction de type Hopping
Une fois parvenus dans le volume du matériau, les porteurs de charges peuvent se mouvoir de site en site par sauts entre les états d’énergie délocalisés dans la bande interdite, au voisinage de la bande de conduction. Lorsque la densité de ces états délocalisés devient importante, il est alors possible de détecter un courant apparent de porteurs de charges, si le transport dans la bande de conduction n’est pas prépondérant [67]. Ce courant, décrit par Mott [71], traduit une conductivité par saut entre sites. En supposant des puits de potentiel de profondeur identique, la densité de courant de type “Hopping” s’exprime par [72] :
nµ la densité de charge mobiles (électrons et trous) ;
la distance inter-piège ;
Le transport électronique dans le volume du diélectrique sera d’autant plus important par ce mécanisme que le champ électrique appliqué le sera.
Courant limité par charge d’espace (SCLC)
L’injection de charges dans le volume du PEbd peut être aussi soutenue à l’échelle macroscopique par le mécanisme de courant limité par charge d’espace. Du fait de leur charge, les porteurs injectés dans le matériau isolant impacteront la distribution locale du champ électrique moyen.
Soumis à une différence de potentiel V , le diélectrique délivre un champ électrique (E ), tel que :
V
E (1.20)
La Figure 1.13 décrit, en coordonnées logarithmiques, la caractéristique théorique de la densité de courant limitée par charge d’espace en fonction du champ électrique appliqué. Deux champs de seuil marquent en générale cette caractéristique, un premier champ de seuil en fin de régime
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Chapitre 1
ohmique (Etr) et un second champ de seuil ETFL correspondant à la limite de remplissage total des pièges du matériau (ou "Trap-filled limit").
A faible champ électrique appliqué, et pour une densité de porteurs injectés négligeable devant la densité des porteurs intrinsèques n0, le produit des équations (1.8) et (1.20) conduit à une densité de courant ohmique donnée par :
)
Ce courant ohmique est essentiellement dû aux porteurs intrinsèques n0
,
qui s’expriment par [68, 67] : devient importante. Dès lors, la densité de courant au sein du diélectrique dépend du niveau, de la distribution énergétique et de la densité intrinsèque des porteurs. En considérant un seul niveau de piège au sein de l’isolant et en restant dans le cas du transport unipolaire avec l’hypothèse d’un champ nul à l’électrode d’injection, la résolution des équations couplées de Poisson et de conservation d’énergie permet d’estimer le courant limité par les charges d’espace parvenant dans le volume du diélectrique [67, 71] : Figure 1.13 : Caractéristique théorique du mécanisme de conduction limitée par charge d’espace.
De la génération au transport de charges dans le PEbd irradié Chapitre 1
correspond à une densité de courant limité par charge d’espace de porteurs de mobilité
,
traversant un échantillon d’épaisseur d , de permittivité
,
sous l’action d’un champ électrique appliqué E .En égalisant les équations (1.21) et (1.23), on obtient le champ électrique seuil Etr séparant le régime ohmique du régime de conduction quadratique, pour un unique niveau de pièges :
9 8n0d
Etr (1.24)
Lorsque le courant atteint le seuil de champ électrique ETFL , le courant croît alors brusquement vers le niveau de conduction sans pièges (ou à pièges saturés). Dès lors, si tous les pièges sont occupés par les porteurs injectés, et que le champ électrique croît continuellement, les sites de piégeage ne sont donc plus actifs pour capturer de nouveaux porteurs. Les porteurs vont alors librement participer à la conduction. C’est le régime de pièges saturés. Dans ce cas, l’expression du courant retrouve une forme de conduction quadratique sans pièges :
Le champ électrique ETFL correspondant à cette transition peut s’écrire, en résolvant l’équation de Poisson [67] :
Nt étant la densité totale des porteurs dans le matériau.
1.4.4.2. Transport ionique
En dehors des électrons et des trous qui sont à la base de la conduction électronique, les ions peuvent aussi contribuer à la conduction dans les matériaux isolants, suivant les conditions énergétiques. En raison de leur importante masse (plus de 1000 fois plus lourds que les électrons), leur mouvement sous l’action du champ électrique reste relativement faible par rapport à celui des électrons, sans toutefois être nul. La conduction ionique peut être intrinsèque (due par exemple aux processus de dissociation entre chaînes moléculaires) ou extrinsèque (en raison par exemple d’ions ayant d’autres origines que ceux issus de la structure du matériau, l’apport ionique de l’irradiation dans notre cas…). Quelles que soient leurs origines, les ions vont participer à la conduction en réalisant des sauts entre sites au-dessus de la barrière de potentiel par activation thermique ou sous l’action du champ électrique externe. La densité de courant due au transport d’ions sous champ électrique (E ) s’exprime par [68] :
Dans le cas du PEbd, la contribution du courant ionique à la conduction globale dans le matériau sera considérée comme négligeable.
d qN
ETFL t (1.26)
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Les mécanismes de génération et de transport, dont nous venons d’exposer les plus marquants pour notre étude, demeurent toutefois influencés par de nombreux facteurs dont l’amplitude du champ électrique appliqué, la température du matériau, la nature des électrodes en contact avec le PEbd, la structure et l’épaisseur du matériau, la densité des charges intrinsèques… de même que l’exposition aux gaz, l’absorption d’eau ou la pression hydrostatique auront un impact non-négligeable sur ces mécanismes [72] .
Tous ces mécanismes de conduction sont généralement mis en évidence à travers des mesures de courant au sein de l’isolant placé entre deux électrodes planes sous champ électrique continu, de sorte à recueillir les contributions du courant circulant dans un circuit extérieur fermé.