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Auteur(s)
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Yvan SEGUI : Directeur de Recherches au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) - Laboratoire de Génie électrique ESA 5003. Université Paul Sabatier
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Lire l’articleINTRODUCTION
Dans cet article, on s’intéresse aux mouvements de charges sur des distances beaucoup plus importantes que quelques distances interatomiques. Les courants que l’on va mesurer sont même dus, pour une large part, à des porteurs qui, injectés à partir d’une des électrodes, vont traverser l’épaisseur du matériau. Gardons tout de même en mémoire le fait qu’un mouvement localisé de porteur donnera lieu à un courant mesurable dans le circuit extérieur, même si le porteur ne sort pas du diélectrique.
Mesurer la conduction dans un diélectrique peut, à priori, apparaître comme paradoxal ou inutile, puisque sa fonction principale est, en général, d’assurer une isolation. Toutefois, ce que l’on appelle communément des isolants sont des matériaux dont la résistivité varie de quelques 108 Ω · cm jusqu’à 1018 Ω · cm ou plus. Cette variation de plus de 10 décades suggère fortement que plusieurs phénomènes ou mécanismes de conduction peuvent générer des courants.
En outre, d’un point de vue des composants et des systèmes, deux aspects sont extrêmement importants :
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le cas de l’utilisation des matériaux à très faibles pertes (par exemple, les condensateurs) ;
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le cas où l’évolution des très faibles courants de conduction est le signe avant-coureur d’une dégradation des propriétés du matériau d’isolation qui va, à terme, mettre fin à la vie du dispositif.
Il est donc utile, voire indispensable dans certains cas, de pouvoir mesurer, analyser et comprendre l’origine des courants de conduction qui apparaissent dans les isolants lorsqu’ils sont soumis intentionnellement ou non à un champ électrique. Cette nécessité est renforcée par le fait que l’évolution actuelle du matériel en construction électrique tend vers des puissances massiques et des températures de fonctionnement plus élevées. Cette évolution conduit à un accroissement des contraintes, notamment électriques, sur les isolants et ne permet plus la solution de facilité qui consistait à augmenter l’épaisseur d’isolation, mais nous oblige à une utilisation plus proche des limites de tenue des matériaux diélectriques.
le lecteur se reportera utilement à l’article Diélectriques- Bases théoriques Diélectriques. Bases théoriques .
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4. Conduction électronique
Imaginons les phénomènes de conduction comme un flux de porteurs entrant dans le diélectrique, puis étant transporté au sein de celui-ci pour, enfin, ressortir par l’autre face. Il est clair que le flux maximal pour un champ donné sera contrôlé par celle des trois étapes autorisant le flux le plus faible. Donc ce flux de porteurs sera soit contrôlé par des phénomènes d’interface électrode-diélectrique, soit par des phénomènes de volume au sein du diélectrique.
4.1 Mécanismes contrôlés par l’interface
La figure 8 représente le schéma de bande à l’interface électrode métallique-diélectrique.
EF est le niveau de Fermi du métal d’électrode, et ne dépend que de la nature de ce métal. Ev et Ec sont respectivement les énergies correspondant au niveau supérieur de la bande de valence du diélectrique et au niveau inférieur de la bande de conduction.
Dans le métal, on trouve des électrons disponibles jusqu’au niveau de Fermi et pratiquement aucun au-dessus. Un électron situé au niveau EF à la cathode (métal de gauche sur la figure 8) a trois possibilités pour pénétrer dans le diélectrique où il doit arriver jusque dans la bande de conduction pour pouvoir participer au transport :
-
voie 1 : passage par dessus la barrière ; elle est appelée effet thermoélectronique (ou plus communément effet Schottky) ;
-
voie 2 : passage au travers de la barrière à énergie constante ;
-
voie 3 : passage au travers de la barrière après un gain d’énergie (énergie thermique kT par exemple).
Les voies 2 et 3 sont appelées effet Fowler-Nordheim et sont traitées...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BRUNET (H.), TEYSSIER (J.L.) - Introduction à la physique des matériaux conducteurs et semiconducteurs. - 316 p. 1992. Dunod Paris.
-
(2) - ANDERSON (P.W.) - * - Physical Review 109, 1958 p. 1492-1498.
-
(3) - MOTT (N.F.) - Conduction in non crystalline materials - (Conduction dans les matériaux non cristallins). 128 p. 1987. Clarendon Press Oxford university Press (GB).
-
(4) - RAIZER (Y.P.) - Gaz discharge physics - (Physique des décharges dans les gaz). 449 p. 1991. Springer Verlag Berlin.
-
(5) - NASSER (E.A.) - Fondamentals of gaseous ionization and plasma electronics - part 1 - (Bases de l’ionisation dans les gaz et de l’électronique des plasmas − tome 1) 249 p. 1971 Wiley interscience New York (USA).
-
(6) - * - Cours de Physique de Berkeley Tome 2 :...
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