Effet Poole-Frenkel

En physique du solide, l'effet Poole-Frankel est un des phénomènes physiques responsables de l'existence d'un courant de fuite à travers un diélectrique. Publié pour la première en 1938, ce phénomène doit son nom à Yakov Frenkel (soviétique)[1] et à Horace Hewitt Poole (irlandais).

Mécanisme modifier

La conduction Poole-Frenkel résulte de la libération des électrons piégés dans des puits de potentiel. De tels pièges sont le résultat de défauts dans la structure du matériau. La présence d'un champ électrique dissymétrise le puits de potentiel, et avec l'agitation thermique, il existe une probabilité non nulle qu'un électron acquière une énergie suffisante pour quitter le piège et passer dans la bande de conduction. La densité de courant   créée par l'effet Poole-Frankel répond à l'équation suivante[2] :

 

où :

  est la conductivité de Poole-Frankel, exprimée en  , qui dépend essentiellement de la qualité du diélectrique.
  est le champ électrique
  est charge élémentaire
  est la barrière de potentiel
  est la permittivité dynamique
  est la Constante de Boltzmann
  est la température.

La densité de courant augmente exponentiellement avec la température, résultat qu'on peut relier intuitivement à la Statistique de Fermi-Dirac.

Mise en pratique modifier

La méthode de caractérisation expérimentale de l'effet Poole-Frankel consiste à procéder à une série de mesures dans un échantillon, en faisant varier le champ électrique appliqué. En traçant   en fonction de  , on peut isoler ce phénomène des autres mécanismes de conduction possibles, et par une simple régression linéaire identifier  (ordonnée à l'origine), mais pas déterminer   et   indépendamment - pour cela il faut faire varier aussi la température[2],[3].

La caractérisation de cet effet est importante pour prédire notamment les courants de grille des transistors à effet de champ[4] et la fiabilité de certains microsystèmes électromécaniques à actionnement électrostatique[2].

Notes et références modifier

  1. J. Frenkel, "On pre-breakdown phenomena in insulators and electronic semi-conductors", Phys. Rev., vol. 54, pp. 647-648, 1938
  2. a b et c Samuel Melle, Analyse et modélisation des phénomènes de chargement de diélectriques dans les MEMS RF : application à la fiabilité prédictive de micro-commutateurs électromécaniques micro-ondes, Université Paul Sabatier - Toulouse III, (lire en ligne)
  3. (en) R. Maity, S. Kundoo et K.K. Chattopadhyay, « Electrical characterization and Poole–Frenkel effect in sol–gel derived ZnO:Al thin films », Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 86, no 2,‎ , p. 217–227 (DOI 10.1016/j.solmat.2004.07.008, lire en ligne, consulté le )
  4. (en) Guntrade Roll, Leakage Current and Defect Characterization of Short Channel MOSFETs, Der Technische Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg, (lire en ligne)