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Modifications photoélectriques de l’oxyde mercurique au
contact d’une électrode
Georges Déchêne
To cite this version:
MODIFICATIONS
PHOTOÉLECTRIQUES
DE L’OXYDEMERCURIQUE
AU CONTACT D’UNE
ÉLECTRODE
Par M. GEORGES DÉCHÊNE. Faculté des Sciences de
Montpellier.
Sommaire. 2014 Le
dispositif utilisé comporte une masse d’oxyde mercurique serrée entre deux élec-trodes, dont l’une est transparente (cellophane traitée par l’acide sulfurique).
La résistance au contact de l’électrode transparente est très élevée, mais elle diminue considéra-blement sous l’action d’un flux lumineux (lumière blanche ou ultraviolette); cette propriété permet de réaliser une cellule photoélectrique d’un type nouveau (cellule à résistance de contact). On peut aussi réaliser des couples photoélectriques à l’oxyde mercurique, fonctionnant sans tension auxiliaire, en
mesurant la f.é.m. photoélectrique produite par l’éclairement de l’électrode transparente.
Les phénomènes observés sont attribués à un effet secondaire de photoconductivité dans une couche mince d’oxyde mercurique au contact de l’électrode.
1. Introduction.
a.
Rappel
despropriétés
des semi-conducteurs.- M. Reboul et ses élèves
(1)
ont étudié lespropriétés
des semi-conducteursréels;
il est nécessaire derap-peler
d’abord
brièvement les résultats donnés parFig. i.
ceux
qui
sont obtenus paragglomération
de sels ouoxydes
métalliques. Lorsqu’une
tensionélectrique
est
appliquée
à lasubstance,
une variationbrusque
du
potentiel apparaît
surchaque
électrode; ainsi,
la
figure
ireprésente
la distribution dupotentiel
dans une massecylindrique d’oxyde
jaune
demer-cure, de
longueur
~,2 cm,placée
entre deux électrodes en mercure; sur cettefigure,
leslongueurs v
et v’représentent
les discontinuités dupotentiel
sur les (1) REBOUL, Journal de Physique, 1922, 1926, ic)3i;BoDiN, Paris, I92~; DÉCHÈNE, Thèse, Paris, 19 34; REBOUL,DÉCHÊNE et JACQUESSON, Journal de Physique, 19 2 7; LAFOND, Thèse, Montpellier, 1930; REBOUL et SAMBUSSY, C. R. Acad. Sc., Ig3I, 192, p. 4go; SAMBUSSY, ibid., 1931, 193, p. 855 et 1932, 194, p. I ~21~; DÉCHÊNE, Journal de Physique
(1932), Mars 1938, Mars et Avril 1989.
faces terminales et V est la chute
ohmique
dupotentiel
dans la masse. Si l’intensité du courant
est i,
lesrapports
rv
et r’== 2013
sont les résistances de contactanodique
etcathodique
et lerapport
Rv
représente
z
la résistance
ohmique
de lasubstance.
La
caractéristique
d’un contactsemi-conducteur-métal
(variation
du courant i avec la discontinuitédu
potentiel v)
estreprésentée
par lafigure
2;la résistance du contact reste sensiblement constante tant que v ne
dépasse
pas une certaine valeur(quel-ques volts dans le cas de la
figure,
maisplusieurs
dizaines ou mêmeplusieurs
centaines de voltslorsque
la résistivité de la substance estélevée);
pour lesFig. 2. - Substance utilisée
HgO jaune.
discontinuités du
potentiel plus
importantes,
la résistance de contact diminue et elledépend
dusens du courant, sa
plus
faible valeurcorrespondant
au cas où l’électrode considérée est cathode.
La résistance
ohmique
et les résistances de contactaugmentent
spontanément
pendant
lespremières
semainesqui
suivent lacompression.
Lorsqu’un
courantélectrique
traverse lasubstance,
la résistance
ohmique
varie peu dans les cas des113
faibles
tensions,
tandisqu’on
observe unaccrnis-sement
progressif
de la résistanceanodique
et unediminution de la résistance
cathodique;
ces variationssont très accusées avec
l’oxyde mercurique,
de sortequ’après quelques
heures de passage du courant, ladiscontinuité du
potentiel
sur l’anode est peudiffé-rente de la tension totale utilisée. En même
temps,
les électrodes sepolarisent
et la f.c.é.m. depolari-sation,
qui
subsistelongtemps
après l’interruption
du courant,peut
atteindrequelques
volts(2).
La mesure des
capacités
au contact(3)
permet
de déterminer l’ordre de
grandeur
del’épaisseur
danslaquelle
seproduit
la variationrapide
dupotentiel
au
voisinage
d’uneélectrode;
les valeurs obtenuessont d’autant
plus grandes
que la conductibilitéde la substance est
plus
faible(I o-2 cm
en moyennepour
l’oxyde mercurique qui
sera étudié dans cetarticle).
b. Nature des modifications des
propriétés
du contact sous l’influence d’un flux lumineux.-J’ai
déjà signalé (4)
que, sous l’action d’un fluxlumi-neux, la résistance au contact de
l’oxyde
de mercure(jaune
ourouge)
et d’une électrodediminue,
de sorteque le courant
qui
traverse la substance s’accroît. Ledispositif
constitue une cellulephotoélectrique
d’untype
nouveau(cellule
à résistance decontact).
Dans mes
premières expériences,
l’électrode étaitconstituée par une
grille métallique;
dans cescondi-tions,
la surface de contact nereçoit
qu’une
faibleportion
de la lumièreincidente,
après
diffusion dansla couche
superficielle
de la substance. J’ai obtenu des effetsphotoélectriques plus
intenses etd’inter-prétation plus
facile en utilisant une électrodetransparente
encellophane (épaisseur :
0,126
mm);
pour donner à la lame de
cellophane
une conducti-bilitésuffisante,
il suffit de laplonger (pendant I ~2
h parexemple)
dans une solution étendue à 10 pour 100d’acide
sulfurique
commercial;
après séchage,
la résistance d’une tellelame,
serrée entre deuxélec-trodes
métalliques,
est de l’ordre d’une fraction demégohm
pour une surface de 1cm2;
lacellophane
ainsi traitée
peut
perdre
satransparence
après
unusage
prolongé,
mais il est facile de laremplacer.
Lespropriétés électriques
du contact différent unpeu de celles observées avec une électrode
métal-lique ;
ainsi,
le passage du courant faitaugmenter
la résistance de contact
quelle
que soit lapolarité,
plus
fortement toutefoislorsque
l’électrode estanode;
la résistance de contact est d’ailleursparticu-lièrement élevée et la discontinuité du
potentiel
est peu différente de lad.d.p. appliquée
entre lesélec-trodes,
mêmelorsque
l’électrode estcathode,
saufaprès
utilisationprolongée
d’une tension un peuélevée
(dans
ce cas, la discontinuité dupotentiel
sur l’anode
métallique
finit par devenirimportante);
(2) DÉCHÊNE, C. R. Acad. Sc., 1934, 198, p. 1021.
(3) DÉCHÊNE, Journal de Physique, r g3 g, io, p. 124 et 195.
(4) Thèse, Paris, 1934, p. 31.
enfin,
la f.c.é.m. depolarisation
atteint des valeursplus
élevées(une vingtaine
de volts parexemple)
qu’avec
une électrodemétallique.
Les cellules à
l’oxyde mercurique
peuvent
encore être utilisées comme
couples photoétectriques,
analogues
auxcouples photoélectriques
au sélénium ou àl’oxyde
cuivreux,
dont l’utilisation est mainte-nantrépandue.
En l’absence de tensionauxiliaire,
l’éclairement de l’électrode
produit
en effet uned.d.p.
photoélectrique
ouplus
exactement, modifie lad.d.p.
(de
l’ordre duvolt) qui
existe normalement entreles électrodes par suite de leur
dissymétrie.
Cesphotopotentiels
ont été observés avec un certainnombre de substances
[molybdénite,
divers sulfuresd’argent (5)].
Avecl’oxyde mercurique,
lephoto-potentiel
estpositif,
c’est-à-dire que le courantqu’il
peut
produire
si l’on met la cellule en court-circuitva de la substance vers l’électrode éclairée
(les
photopotentiels
sont au contrairenégatifs
avec lesélénium ou
l’oxyde cuivreux).
J’ai
essayé
d’utiliser d’autres sels ouoxydes
métalliques agglomérés; je
n’aijusqu’à
présent
trouvéqu’un
seul corps, lalitharge, qui possède
lesmêmes
propriétés
quel’oxyde mercurique.
c.
Dispositifs expérimentaux. -
Lafigure
3représente
une des cellulesutilisées;
l’oxyde
mercu-rique (jaune
ourouge)
estcomprimé
à l’aide d’uneFig. 3.
presse à
pastiller
dans un moulecylindrique’ en
ébonite
(section :
sur la lame decellophane
qui
sert d’électrodeappuie
lagrille métallique
G maintenue par l’anneau de laiton A vissé dans l’ébo-nite. L’électrodeopposée
est en mercure. Ungalva-nomètre sensible à IO-9 A et un électromètre à
quadrants
permettent
de mesurer le courant àtravers la substance ou la
d.d.p.
photoélectrique
entre les électrodes.Les
lampes
électriques
utilisées comme sourcede lumière blanche ont été
comparées
à des étalonssecondaires du Laboratoire central
d’Électricité.
II.
Étude
expérimentale
des cellulesà
l’oxyde
mercurique.
a. Influence du
temps
de passage du courant.Courant d’obscurité et courant d’éclairement.
-
L’oxyde
mercurique,
maintenu sous tension dansl’obscurité,
est traversé par lecourant i~
(courant
sous l’action d’un flux lumineux
qui
fait diminuer la résistance de contact sur l’électrode
transparente,
le courantprend
une valeursupé-rieure
(i =
couranttotal; i, =courant
d’écIairement).
Lorsque
la tensionélectrique
resteappliquée
à lacellule,
le courant d’obscurité diminue par suitedes variations des résistances de contact et de la f.c.é.m. de
polarisation;
il est curieux de remarquerque le courant d’éclairement ne subit au contraire
que de faibles modifications.
Exemple.
- CelluleHgO jaune;
tension :4 V
(électrode
transparente
anode);
éclairement : 20 luxen lumière blanche.
Toutefois,
le courant d’éclairement n’est à peuprès
constant quelorsque
la discontinuité dupotentiel
sur l’électrodetransparente
ne varie passensiblement;
il n’en estplus
ainsi aux tensionsélevées si l’électrode
transparente
estcathode,
carla discontinuité du
potentiel
sur l’électrodeopposée
finit par atteindre une valeurimportante (p. n3).
Pour les mesures du courant
d’éclairement,
il estpréférable
d’attendre untemps
suffisant(i
h parexemple) après
l’établissement de latension,
defaçon
que lecourant
d’obscurité soit faible et ne subisseplus
que des variations très lentes.b. Influence de la durée de l’éclairement. Traî-nage. - Le courant d’éclairement s’établit
progres-sivement
lorsque
la cellulereçoit
un fluxlumineux;
ilatteint sa valeur limite
après
untemps
variable(1
secà i
min),
d’autantplus
court que la tension utilisée estplus
élevée et l’éclairementplus
intense;
quand
lacellule est remise à
l’obscurité,
le retour à zéro du courant d’éclairement est encoreplus
lent.Exemple.
- Les courbes de lafigure
4
repré-sentent la variation du courant d’éclairement pour
une cellule
d’oxyde
mercurique jaune
(tension :
4 V,
électrode
transparente cathode)
recevantpendant
5 min un éclairement en lumière blanche de 2,2 lux(courbe
a)
ou 80 lux(courbe b).
Lorsque
l’éclairement est assez intense( fig.
~,
courbe
b),
le courant diminueaprès
avoirpassé
parun maximum.
La diminution doit être attribuée aupassage du courant et non à une
fatigue
photo-électrique
de lasubstance;
si,
eneffet,
la celluleFig. 4.
restant constamment
éclairée,
on n’établit la tensionque de
temps
entemps
pendant
une durée assezcourte, le courant observé
garde
la même intensité. Il faut d’ailleurs éviter de soumettre les cellules à des éclairements intenses etprolongés, après
lesquels
le retour à sa valeur normale du courantd’obscurité est
toujours
trèslong
(parfois plus
de 1
h).
Fig. 5.
On constate de même que la
d.d.p. photoélectrique
d’un
couple
àl’oxyde mercurique
neprend
savaleur limite
qu’au
bout d’un certaintemps
(rarement
moins de 1min)
qui
décroîtquand
onaug-mente
l’éclairement;
quand
on diminue ouquand
on
supprime
le flux lumineuxqui
tombe surl’élec-trode,
la variation de lad.d.p. photoélectrique
estlente,
surtoutaprès
un éclairementprolongé.
Exemples.
- ~ ~Figure
5 ;oxyde mercurique
rouge. Courbe a :Apparition
de la f.é.m.photoélectrique
115 Courbe b : .’ Diminution de la f.é.m.
lorsque
l’éclai-rement est
supprimé après
25 min.Courbe c : Diminution de la f.é.m.
lorsque
l’éclai-rement n’a duré que 1 o sec. 2~
Figure
6; même cellule.a.
Éclairement :
20 lux(lumière
blanche);
b.
Obscurité;
c.
Éclairement : 5
lux;
d.
Éclairement :
20 lux.Fig. 6.
c. Influence de l’intensité de l’éclairement. 2013
La
figure 7 représente,
pour différentestensions,
la variation du courantd’éclairement ie
avec le fluxlumineux q. Il
n’y
aproportionnalité
que pour deséclairements très
faibles; ie
croît ensuite moins vite que y; la variationpeut
souvent,
dans un intervalleétendu,
êtrereprésentée
d’une manière satisfaisante par une formuleempirique
de la formeie
=le coefficient n
pouvant
dépendre
de la nature de la lumière incidente(ainsi,
pour une cellule àHgO
jaune,
on a trouvé n =0,87
pour la radiation
jaune
du mercure et n =0,70 pour la radiation
indigo).
Quand
le courantd’éclairement
augmente,
la chute depotentiel
dans la masse et sur l’électrodeen mercure
s’accloît;
la discontinuité sur l’électrodetransparente
diminue;
cette diminution ne suffitpas à
expliquer
la variationrapide
de la sensibilité ’P cp de lacellule,
car elle ne devientimportante
que pour des éclairements intenses.Exemple.
- CelluleH90 jaune;
tension :4 V;
électrodetransparente
anode. Chute depotentiel
dans la masse et sur l’électrode en mercure.
Dans Pobscnrité... 0,°9 V Eclairemcut de 2,2 lux... o, t2 V Eclairement de 80 lux ... 0,31 V
De
même,
la f.é.m.photoélectrique
d’uncouple
àl’oxyde mercurique
estproportionnelle
au fluxlumineux pour des éclairements très faibles
(une
fraction de
lux),
mais elleaugmente
ensuite deplus
en
plus
lentement.Fig. ~.
Exemple.
-Couple
àl’oxyde mercurique
rouge, lumière blanche.Pour les très faibles
éclairements,
lesd.d.p.
photoélectriques
sont considérablementplus grandes
que pour lescouples
au sélénium ou àl’oxyde
cuivreux
(100
foisenviron);
pour les éclairementsintenses,
les résultats sont au contraire du mêmeordre de
grandeur.
d. Influence de la tension
appliquée
à la cellule.--~ Les résultats
expérimentaux
utilisés pour laconstruction de la
figure 7
sont encorereprésentés
sous une autre forme par lafigure
8; cettefigure
indique,
pour divers fluxlumineux,
la variation du courant d’éclairement avec lad.d.p. appliquée
à lacellule;
on voitqu’il
y a d’abordproportionnalité,
puis
le courantaugmente
moins vite que la tension.La
figure
greprésente,
pour une cellule recevant un éclairement de glux,
les variations du courantd’obscurité io
(courbe 1),
du courant d’éclairement ie(courbe
2)
et du courant total i(courbe
3);
il fautremarquer que la
caractéristique
d’une celluleLa
figure
10représente
demême,
pour les faiblestensions,
les variations des courantsio,
i(éclai-rement : 5oo
lux);
lalongueur
OAreprésente
Fig. 8.
la f.é.m. de la cellule dans
l’obscurité,
due à ladissy-métrie des
électrodes;
OA’ est la f.é.m. de la celluleéclairée;AA’
= f.é.m.photoélectrique.
.1
Fig. g.
e. Influence de la résistivité de la substance
et de la
température. -
La résistivité d’un selou d’un
oxyde aggloméré
dépend
de latempérature,
du
degré
d’humidité de lapoudre
utilisée,
de lapression
exercée;
elleaugmente,
comme on l’adéjà
indiqué, pendant
lespremières
semainesqui
suivent lacompression.
Lorsque
la résistivité del’oxyde mercurique
aug-mente, le courant d’éclairement diminue.Fig. 10.
Exemple.
---r Lafigure
1 iindique,
pour diverstemps
écoulésdepuis
lacompression
del’oxyde
Fig. 1 I.
mercurique,
la variation du courant en fonctionde
l’éclairement;
on voit que la diminution est surtout accusée pour les éclairements intenses.Au
contraire,
la f.é.m.photoélectrique
d’uncouple
à
l’oxyde mercurique
augmente
progressivement
117
Exemple.
-Figure
12,couple HgO
rouge; variation de la f.é.m.photoélectrique
avec l’éclai-rement unjour,
puis
un moisaprès
lacompression
dela substance.
.., ,,
Fi g. 2.
Les
phénomènes
detraînage
queprésentent
lescellules et les
couples
photoélectriques
àl’oxyde
mercurique
sontplus importants
avec les cellulesde forte résistivité.
Une élévation de
température
dequelques degrés
accroît nettement les courants d’obscurité etd’éclai-rement à travers une cellule à
l’oxyde mercurique.
Exemple.
- Cellule àl’oxyde
mercurique
rouge(éclairement
en lumièreblanche).
f. Répartition spectrale
de la sensibilité.-Les cellules à
l’oxyde mercurique
ont leur maximum de sensibilité dans lespectre
visible,
vers ),o,54
p..Du côté des
grandes longueurs
d’onde,
la sensibilité diminue très vite et devient nulle dans le rouge,vers J, =
0,7 p ; au
contraire,
la sensibilité seprolonge
assez loin dans l’ultraviolet. Lasensibilité,
exprimée
enampères
par watt ou en volts par watt suivantqu’on
mesure un courant d’éclairement ou uned.d.p.
photoélectrique,
nepeut
être définie avecprécision
que pour les faibles
éclairements,
lorsque
la propor-tionnalité au flux lumineux reçu par la cellule resteréalisée. La
figure
13(courbe a) représente
lasensi-bilité
énergétique
pour les faibles éclairements d’une cellule àl’oxyde jaune
de mercure avec tensionauxiliaire de
4 V,
l’électrodetransparente
étantanode. Pour les mesures, la cellule est
placée
derrièreune fente éclairée par la radiation
monochromatique
étudiée. Pour obtenir larégion
MN de lacourbe,
on a
déplacé
la fente dans lespectre
d’unelampe
àincandescence;
larépartition
del’énergie
dans cespectre
a été calculée à l’aide des tables deFabry
en
admettant,
pour latempérature
de couleur de lalampe,
la valeur 27400.
Pour laportion
MP de lacourbe,
on a utilisé les raies visibles et ultraviolettes d’unelampe
à vapeur de mercure àenveloppe
dequartz;
l’intensité des raies a été déterminée enremplaçant
la cellule étudiée par uncouple
photo-électrique
au sélénium dont la sensibilitéspectrale
était connue. On voit que la sensibilité devient faibledans l’ultraviolet vers
o,2Q
il..
Cette limite doit êtreattribuée à
l’absorption
de l’électrode decellophane.
Fig. 13.
La
figure IQ représente,
en fonction de lalongueur
d’onde,
le coefficient detransparence
d’une lameen
cellophane
ordinaired’épaisseur
0, I 25
mm(courbe a)
et de la même lame rendue conductrice par traitement à l’acidesulfurique
(courbe
b);
lesmesures ont été faites en
interposant
la lame étudiéedevant un
couple
au sélénium surlequel
on faittomber successivement les diverses radiations de l’arc au mercure; on voit que
l’absorption,
impor-tante vers 3 5oo
A,
devientquasi
totale vers 2 3ooÂ;
ces résultats sont confirmés par l’examen du
spectre
d’absorption
de lacellophane
dans l’ultravioletreprésenté
par lafigure
15(s) (cliché
A :spectre
(6) Je dois remercier M. Collet qui, disposant d’une instal-lation pour l’étude de l’absorption de divers liquides dans l’ultraviolet, a bien voulu réaliser pour moi ce spectre
118
ultraviolet d’un tube à
hydrogène;
cliché B : mêmespectre
avecinterposition
de la lame decellophane; cliché..C :
arc aumercure).
Fig. 15.
La courbe b de la
figure
13représente
la sensi-bilitéspectrale
de la cellule àoxyde mercurique,
corrigée
del’absorption
par la lame decellophane.
Enfin,
sur lafigure
13, la courbe cindique,
enfonction de la
longueur
d’onde,
le coefficient detransparence
d’une couche minced’oxyde jaune
demercure
(masse
par centimètre carré : o,oo5g);
onconstate que le maximum de sensibilité coïncide sensiblement avec la
région spectrale
où la courbed’absorption présente
une courbureaccusée;
c’est un résultatqu’on
a observéfréquemment
dans lesphénomènes
dephotoconductivité.
III. Considérations
théoriques.
a. Nature
photoélectrique
desphénomènes
observés. - Les
phénomènes
observés doivent bien être attribués à un effet direct de la lumière et nonà un échauffement de
l’oxyde mercurique
dans unecouche
superficielle
au contact de l’électrode. Ona vu en effet
(p. 117)
que les cellules ne sont passensibles à
l’infrarouge; l’interposition
d’une cuved’eau entre la cellule et une
lampe
à incandescencene modifie presque pas le courant d’éclairement. La f.é.m.
d’origine thermoélectrique,
obtenue parexemple
enplaçant
dans l’obscurité une lamemétal-lique
chaude àquelques
centimètres de lacellule,
a d’ailleurs le sens
opposé
aux f.é.m.photoélec-triques.
Il y a
donc,
sous influence de lalumière,
modifi-cation despropriétés électriques
del’oxyde
mercu-rique
dans la couche mince où la lumière estabsorbée;
si
l’hypothèse
est exacte,l’oxyde
mercurique pris
sous faible
épaisseur
doit êtrephotoconductif.
Lavérification en a été faite de la manière suivante :
l’oxyde, délayé
dans un peud’eau,
est étendu surune lame de verre,
puis
desséché;
les deux électrodesmétalliques,
collées sur la substance ont unegrande
surface pour que les résistances au contact soient faibles par
rapport
à la résistanceohmique;
deux écranspréservent
les électrodes du flux lumineuxincident;
les variations observées du courant,d’ailleurs
faibles,
même pour des éclairementsintenses sont donc attribuables à une modification
de la résistance
ohmique
del’oxyde.
Exemple.
- Surface irradiée :4 cm2;
éclairement intense par unelampe
à mercure enquartz
distantede
4o
cm : le courant passe de2,7. 1 o-’
Aà 3, o.10-9 A.
On sait que les modificationsphotoélectriques
des isolants et semi-conducteurs sont classés en « effetsprimaires »
et tc effets secondaires ». Les effetspri-maires,
pratiquement
sansinertie,
sont attribués àun effet
photoélectrique
interne,
chaque
quantum
de la lumière incidente
pouvant
extraire un électrond’un atome ou d’un ion de la substance irradiée.
Une modification
progressive
s’effectue donc dans la masse et il en résulte des effetssecondaires,
souvent
complexes
etd’interprétation
difficile,
qui
ont une inertie considérable. Letraînage important
que
présentent
les cellules àl’oxyde mercurique
montre que les
phénomènes
observés doivent êtreattribués à des effets secondaires dans la couche mince voisine de
l’électrode;
aucontraire,
l’absence d’inertie dans lescouples photoélectriques
au sélénium ou àl’oxyde
cuivreux fait attribuer le courant obtenu à un effetprimaire
de la lumièreincidente,
lesphotoélectrons
émis dans la couchesuperficielle
de la substance étant aussitôtcaptés
parl’électrode;
l’étude del’absorption
del’oxyde mercurique
(fig.
13, courbec)
montre que lesphotoélectrons
primaires
sont libérés dans uneépaisseur
de l’ordrede
1/1 oe
demillimètre; mais,
la structure micro-cristalline de la substancegêne
leurdéplacement
et une infime fraction seulement de ces électrons
peut
seuleparvenir
directement à l’électrode. b.Hypothèses
sur le mécanisme desphéno-mènes. -
Rappel de l’interprétation
des résistances decontact. -
Pour essayer de
préciser
davantage
le mécanisme desphénomènes,
il fautrappeler
d’abordcomment
peut
s’interpréter
l’existence d’unerésis-tance de contact entre un semi-conducteur et une
électrode
(1).
Le passage d’un courant nécessite la formation d’unchamp
électrique
intenseEo
à lasurface de
séparation;
dans une couche mince dusemi-conducteur,
lechamp électrique
E varie doncdepuis Eo jusqu’à
une valeurfaible;
enchaque point
de cette couche se forme une
charge
spatiale
dont la densité p est donnée par la formule{K
== constantediélectrique
de lasubstance; x
=dis-tance à
l’électrode)
et lacharge électrique
totale par unité de surface de contact est(7) DÉCHÊNE, Thèse, Paris, ~g3I, p. 3g; Journal de Physique,
119
Si l’on admet pour
simplifier
que pgarde
une valeurconstante sur une
épaisseur
d,
on obtientla discontinuité du
potentiel
sur l’électrode estet la
capacité
du contact par unité de surface estModifications de résistances de contact par action d’un flux lumineux. - J’ai
déjà signalé
(p.
113)
que lacapacité
de contact est d’autantplus
grande
que le semi-conducteur est moinsrésistant;
les formulesprécédentes
montrent donc que,lorsque
la résistivité de la substance devient
plus
faible,
l’épaisseur d
danslaquelle
seproduit
unchamp
électrique
intensediminue,
tandis que la densitéspatiale
p et lechamp électrique
E,
augmentent
(pour
une même valeur de
v);
l’accroissement deEo
entraîne une variation du courant i
qui
traverse la surface du semi-conducteur et, parsuite,
unedimi-nution de la résistance de contact. C’est ainsi que
s’interprète
l’action d’une élévation detempé-rature
(8) ;
il est normal que l’accroissement deconductibilité du milieu résultant des effets
photo-électriques
secondairesproduise
un effet semblable.Dans
l’oxyde mercurique,
la conductibilité estionique,
comme le montrel’apparition
desphéno-mènes
d’électrolyse
lorsque
le passage du courant est suffisammentprolongé (9). L’hypothèse
laplus
simple
serait d’admettre que les effetsphotoélec-triques
secondairesaugmentent
la dissociationionique
au
voisinage
de l’électrodetransparente.
Toutefois,
il faut remarquer que
lorsque
la résistance de contacta été abaissée par une élévation momentanée de
température,
elle nereprend
sa valeur normale quetrès
lentement,
après plusieurs
heures aumoins;
aucontraire,
après
l’action d’un éclairement peuprolongé,
letraînage
nedépasse
pas engénéral
quelques
minutes;
deplus,
on a fait observer quela
caractéristique
d’un contact éclairé n’a pas la forme normale(p.
116,fig. 10).
Ces divers faitssuggèrent
que la conductibilitésupplémentaire
provoquée
par l’action de la lumière n’a pas lamême nature que la conductibilité normale de
l’oxyde
mercurique;
onpeut
admettrequ’elle
estélectro-nique.
Rappelons
commentpeut
seproduire
cette libé-ration d’électrons par effet secondaire dephoto-conductivité.
Adoptons
les idées deWilson,
qui
constituent les seules
bases théoriques
permettant
(8) DÉCHÉNE, Thèse, loc. cit., p. 30.(°) DÉCHÉNE, Thèse, p. 25.
actuellement
d’expliquer
la conductibilitéélectro-nique
d’unsemi-conducteur; seuls,
les électronsdes couches
profondes
dans un cristal sont rattachés à un atomedéterminé;
les niveauxd’énergie
quepeuvent
occuper les autres électrons forment unesérie de
bandes,
chacune d’elles contenant ungrand
nombre de niveaux très voisins. Soit B la bande la
plus
élevée contenant des électrons à bassetempé-rature
(fig. 16);
les niveaux de cette bande et desFig. 16.
bandes inférieures sont entièrement
occupés;
aucunemodification dans la
répartition
del’énergie
entre les divers électrons n’estpossible;
le milieu estisolant.
Quant
latempérature
s’élève,
quelques
électronspeuvent
passer dans la bandesupérieure
vide B’ et la conductibilitéélectrique
apparaît;
si 4> est lalargeur
de la bande interditeséparant
B etB’,
la concentration des électrons de B’ est liée4>
à la
température
T par la relation n =no
(k
= constante deBoltzmann);
le calcul montre que n restenégligeable
à latempérature
ordinairelorsque (D
atteint une valeur voisine de 2eV° (pour
l’oxyde
mercurique,
le seuil de l’effetphotoélectrique,
vers 0,7 [-1-
(p.
correspond
à (D === 1 ,8
eVenviron);
la substance ne
peut
alorsposséder qu’une
conduc-tibilité
ionique.
L’effetprimaire
dephotoconductivité
consiste dans letransport
d’électrons à travers l’intervalle interdit~;
les centres modifiés par ledépart
d’un électron forment deshétérogénéités
dans le réseau cristallin et il leurcorrespond
desniveaux isolés tels que b
(fig.
16)
dont le nombres’accroît sous l’action de la lumière
jusqu’à
cequ’un
équilibre
soitatteint;
si l’intervalle pqui sépare b
de la bande B’ est assez
faible,
le passage d’élec-trons à B’ devient facile et ainsiapparaît
unephoto-conductivité secondaire de nature
électronique
qui
subsistera dans l’obscurité tant que les niveaux bn’auront pas
disparu.
Fowler(10),
enenvisageant
le mécanisme
qui
vient d’êtredécrit,
a montré quela réalisation d’un état
d’équilibre
est d’autantplus
lent que cetéquilibre correspond
à uneplus
faible concentration
électronique
dansB’;
cesconclusions sont en accord avec les faits
expéri-mentaux ; on a
indiqué
en effet(p. 114)
que letraînage
diminue
quand
onaugmente
l’éclairement,
tandisque le retour au zéro du courant d’éclairement
lorsque
le flux incident estsupprimé
estparticu-lièrement lent.
Variation de la d. d. p.
photoélectrique
avecéclairement. - On
peut
s’étonner d’observer que, dès que l’éclairement a atteintquelques
lux,
lad.d.p.
photoélectrique
ne varieplus
que lentement(p.
115),
alors que la résistance de contact continue à
diminuer;
ce résultat
s’interprète cependant
aisément si l’on admet leshypothèses
deWilson;
les calculs montrenten effet
(11)
que, enpremière approximation,
l’équi-libre entre un métal et un semi-conducteur s’établit
de telle sorte que le sommet de la distribution de Fermi dans les niveaux
énergétiques
des électronsdu métal se
place
au milieu de l’intervalle interditau-dessous de la bande de conductibilité B’
(inter-valle c~ dans le cas
considéré);
dès que laconduc-tibilité attribuable aux électrons
transportés
de bà B’ sera
prépondérante,
lad.d.p.
de contact seradonc sensiblement
indépendante
de la concentration des niveaux b.~
IV.
Applications possibles
des cellulesà
l’oxyde mercurique.
a. Cellules à résistance de contact. - Les
cellules à
oxyde mercurique
à « résistance de contact »sont basées sur la variation du courant d’éclairement
avec le flux lumineux
qui
tombe sur la cellule. Ellesdoivent être utilisées avec une tension auxiliaire de
quelques
volts,
car, pour des tensionsplus
élevées,
le courant d’obscuritéaugmente
beaucoup;
il estpréférable
deprendre
l’électrodetransparente
commeanode et
d’attendre,
avant de commencer les mesures,un
temps
suffisant(1/2
h parexemple)
afin que le courant d’obscurité soit faible et ne varieplus
quetrès lentement. La sensibilité obtenue dans ces
conditions en lumière blanche
(quelques
dizaines demicroampères
parlumen)
est du même ordre degrandeur
que pour les cellulesphotoémissives
etun peu
plus
faible que celle descouples
photo-électriques
au sélénium ou àl’oxyde
cuivreux. Enréalité,
les cellules àl’oxyde mercurique
peuvent
mesurer de faibles flux
lumineux,
car leurgrande
résistance
permet
l’utilisation d’unappareil
trèssensible;
parexemple,
en mesurant àl’électro-(11) WILSO-N, Proceedings Roy. Soc., London, rg3, A, 132, p. 49I.
mètre la chute de
potentiel
dans une résistanceliquide
de 3oomégohms, j’ai
obtenu une déviationappréciable
pour un flux de 1 o-e lumen.Résumons les
avantages
et inconvénients de cetype
de cellules.Avantages.
- Construction trèssimple, prix
de revientinsignifiant,
sensibilité satisfaisante s’éten-dant assez loin dans l’ultraviolet.Inconvénients. - Existence d’un courant
d’obs-curité,
traînage
(peu
important
pour les cellules de faiblerésistivité), impossibilité
de suivre des variations du flux lumineuxqui
ne soient pas trèslentes,
absence de sensibilité dansl’infrarouge,
non-proportionnalité
du courant au fluxlumineux,
variation de la sensibilité au cours du
temps.
Les inconvénients de ces cellules les rendent donc
peu
pratiques
pour les mesuresquantitatives;
parcontre, elles
peuvent
rendre les mêmes services que les autrestypes
de cellules pour des usagesquali-tatifs
(dispositifs
debarrage
parexemple)
en utilisantde la lumière visible ou de l’ultraviolet.
b.
Couples photoélectriques
àl’oxyde
mercu-rique.
- Dans lescouples photoélectriques
àl’oxyde
mercurique,
étant donnée lagrande
résistance de lasubstance,
il estplus précis
de mesurer directement lad.d.p. photoélectrique
avec un électromètresensible
plutôt
que le courant quepeut
produire
cetted.d.p.
en fermant la cellule sur ungalvano-mètre’
(comme
on le faittoujours
pour lescouples
au sélénium ou à
l’oxyde cuivreux).
Remarquons
que lad.d.p. photoélectrique dépend
de l’éclairement de la cellule et non de la
surface;
pour mesurer un faible flux
lumineux,
il y a intérêtà la concentrer sur un
couple
de faible surface.Un électromètre à
quadrants
sensiblepermet
demesurer une
d.d.p.
de l’ordre dumillivolt,
qui
correspond
à un éclairement de lux environ en lumière blanche(p. ij5);
une cellule de 1 cm2de surface
permet
donc de mesurer un fluxde r o-6
lumen;
avec une cellule de 1mm2,
onpourrait
mesurer un flux de 0-8 lumen. Il semblequ’aucun
type
de cellules ne donne une sensibilité aussi élevéesans
amplification.
On a vu que cette fortesensi-bilité ne s’obtient que pour des éclairements ne
dépassant
pas une fraction de lux.Mais les
couples
àl’oxyde
mercurique
nepermet-tent d’évaluer que des flux de valeur constante ou
ne variant que lentement et il faut attendre un
temps
suffisant,
parfois plusieurs
minutes,
pourque
