HAL Id: jpa-00234478
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Submitted on 1 Jan 1951
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Une théorie des fluctuations électriques dans les
semi-conducteurs
M. Surdin
To cite this version:
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
des cristaux détecteurs dans latechnique
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 cristaux détecteurs ont été avancées récemment[1], [2], [3].
Cesthéories,
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 auxfluc-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 fluctuationsde résistance
qui
intéressent tout le volume du s. c.,ensuite,
on expose une’ théorie des fluctuations de la couche limiteet,
enparticulier,
de celle du contactmétal-s. c.
2. Résumé des résultats
expérimentaux
[6],
[7].
- Soity une
grandeur physique
fluctuante. Onappelle
«composante
spectrale
d’intensité de y »à la
fréquence
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 résumer comme suit :a. Aux très basses
fréquences
la C. S.I.,
iv,
du courantparcourant
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,’
décroît suivant une loien
où cette fois m’ 1"-1 2 ;’
d. lj,
estproportionnel
àIn,
avec
n - 2, où I estle courant moyen
parcourant
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 supposeronsque
l’impédance
d’entrée
del’amplificateur
est trèsgrande
parrapport
à R.En l’absence du
courant,
on mesure aux bornes CD une force électromotrice de fluctuation due à l’effetthermique
dont la C. S. I. est donnée par778
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 auxbornes CD s’accroît considérablement. Dans ce cas la C. S.
I.,
(-él-2
)R,
varie comme le carré ducourant;
elledépend
de lafréquence
suivant les lois décritesau
paragraphe précédent.
Pour
expliquer
cet accroissement de la forceélectromotrice de
fluctuation, nous
admettrons
que le « bruitsupplémentaire »
est dû aux fluctuationsdu nombre des électrons de
conduction,
cequi
se traduit par des fluctuations de la résistance Rdu s. c.
Aux bornes
CD,
latension
E = RI fluctue etl’on a
’
Calculons 0R2.
Soit N le nombre total des électrons de conduction contenus dans le volume du s. c.
compris
entre C etD,
et u la conductibilité du s. c. ; on a Apartir
de(2)
et(3)
il vient , ’Or,
on a[8]
d’ouSi
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 forceélectro-motrice de fluctuation de résistance et du nombre des électrons de
conduction;
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
où a est la constante dex
recombinaison.
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 librescom-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 la vie moyennez( xw
Io-°s);
parconséquent,
les chocsinélastiques
sont assez rares pourqu’on
n’ait pas à modifier sensiblement leséquations
donnant lacon-ductibilité
électrique (2).
Écrivons
que le taux dedisparition
des
électrons estproportionnel
au nombre Mqui
représente
l’écart entre le nombre instantané N et le nombre le
plus probable No. Puisque
Tr 0
i, on aNo
Supposons
d’abord occonstant,
indépendant
dela vitesse des
électrons,
et calculons la fonction de corrélationMMI ;
pourcela,
multiplions
membre à membrel’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
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 du courant 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
v
Pour 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 derecom-binaison
comprise
entre ce et a+
da,Soit,
d’autrepart,
Mà
le carré moyen de M relatif à ce grouped’électrons. Examinons le cas le
plus 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 recombinaisoncorres-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 03B12plus
grand
que 03B11, etplaçons-nous
dans le cas où a2 > a1, donné parl’expérience.
Étudions
cetteexpression
dans les trois 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 cequi
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
N 20.03B11
(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
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 revueles
propriétés
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 « centres
donneurs
»(6).
.
Plusieurs théories ont été avancées pour
expliquer
lecomportement
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 diodequi s’applique
au casoù
l’épaisseur
de la couche estpetite,
encompa-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 du métal 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 lesformules
suivantes :
Nous allons modifier les formules
précédentes
comme suit :
Soit S la section moyenne de la barrière de
potentiel
parcourue par lecourant;
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 labarrière 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
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 « résistanced’étale-ment » du contact. Soit o- la
conductibilité
du s. c.,r le rayon du fil
métallique
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),
les effets citésplus
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 « centresdonneurs ». Ces fluctuations sont dues aux
migra-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
auxflùctua-tions de résistance étudiées au
paragraphe précédent.
Nous admettrons que ces deux effets sont
indé-pendants.
Dans cesconditions,
la C. S. I. de la fluctuation du courant est donnée parLe
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 « centresdonneurs ».
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 derecombi-naison
limites
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 devientimportant.
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,
onpeut
considérer unsemi-conducteur,
unerésis-tance à structure
granuleuse
(résistance
àcarbone,
microphone
àgranules
decharbon,
etc.),
les couchesmétalliques
minces,
etc.,
comme étantcomposés
de micro-cristaux en contactplus
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,
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 auxélectrons,
l’autre aux « centres donneurs » ont même alluregénérale. Toutefois,
étant donné laplus
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. Auparagraphe
4 nous avons étudié lesfluctua-tions de la barrière de
potentiel
dans le cas de lathéorie de la diode. On
pourrait reproduire
des raisonnementssimilaires
dans le cas de la théoriede 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
KT
s’écrit
FI.. kT,
ou est le libre parcours moyene
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 chocsest
grande 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. Lacontribu-tion d’un électron au courant total est
Formons le
produit
ôi(t
+0)
ôi(0,
, on aoù 1 est la
longueur
du parcours libre del’électron
de vitesse v. Comme le
temps
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,
Àcroît,
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’
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)
enintégrant (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 pourdeve-nir
proportionnelle
à 7 aux très forts courants.Manuscrit reçu le 13 avril 19 1.
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