Vers une meilleure compréhension du bruit de scintillation

15/11/2013
Auteurs :
Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5298
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Vers une meilleure compréhension du bruit de scintillation

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	    <date dateType="Created">Fri 15 Nov 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Sat 24 Feb 2018</date>
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6 mai 2013   Vers une meilleure compréhension du bruit de scintillation  Jean‐Pierre Hauet  Membre émérite de la SEE      Le bruit de scintillation (ou flicker noise), dont  la densité spectrale est de la forme S(f)~So/fα,  α  étant  compris  entre  0,8  et  1,3,  est  un  phénomène  identifié  initialement  dans  l'émission cathodique des tubes à vide (1925)  qui  se  manifeste  dans  tous  les  circuits  électroniques.  En  coordonnées  logarithmiques,  il  se  caractérise  par  une  décroissance linéaire de l’intensité du bruit en  fonction  de  la  fréquence  (bruit  rose,  par  comparaison  au  bruit  blanc  de  densité  indépendante  de  la  fréquence  relevé  aux  fréquences  suffisamment  élevées).  Prédominant  aux  fréquences  basses,  il  peut  constituer un obstacle au bon fonctionnement  de certains équipements.  Son  origine  a  été  imputée  à  la  superposition  de  nombreux  phénomènes  liés  notamment  aux  mécanismes  de  la  conduction  électrique.  A.  L.  Mc.  Whorter  a  développé  en  1957  un  modèle  privilégiant  la  fluctuation  du  nombre  de  porteurs  de  charge,  estimant  que  «  les  résultats actuels ne laissent maintenant aucun  doute  que  ce  bruit  est  globalement,  sinon  entièrement  un  phénomène  de  surface».  F.N.  Hooge a attribué en 1969 le bruit en 1/f à la  fluctuation  de  la  mobilité  des  porteurs  de  charge,  considérant  que  «  les  recherches  effectuées démontrent que le bruit en 1/f est  dû à la fluctuation de la mobilité des porteurs  de  charge  et  non  pas  à  la  variation  de  leur  concentration ».  Une question essentielle était donc de savoir  si le bruit en 1/f est un phénomène de surface  ou bien un phénomène de volume. C’est pour  y répondre qu’une étude a été menée par une  équipe  de  chercheurs,  dirigée  par  Alexander  A. Balandin, professeur en génie électrique et  directeur du "Nano‐Device Laboratory", à       l'Université  de  Californie  ‐  Riverside.  Les  résultats en ont été publiés en mars 2013.  Les  travaux  menés  utilisent  les  propriétés  du  graphène, matériau bidimensionnel découvert  en  2004,  qui  possède  des  propriétés  remarquables de conductivité électrique et de  robustesse ainsi qu’une grande légèreté. A la  différence  des  films  métalliques  ou  semi‐conducteurs  –  pour  lesquels  une  épaisseur de 8 nm est la limite en dessous de  laquelle  il  semble  impossible  de  réaliser  une  couche  homogène  –  les  dépôts  de  graphène  peuvent  être  ajustés  couche  par  couche  jusqu’à  ne  contenir  qu’une  seule  couche  monoatomique  et  ceci  sans  altérer  l’homogénéité  des  couches.  En  analysant  le  bruit  en  1/f  dans  un  échantillon  de  dépôts  correspondant  chacun  à  un  nombre  de  couches donné, il est dès lors de possible de  savoir si le bruit provient de la surface ou du  volume et, s’il provient des deux, à partir de  quelle  épaisseur  l’un  ou  l’autre  devient  dominant.  Un  dispositif  expérimental  très  sophistiqué  a  permis de fabriquer et de tester un lot de 15  composants constitués de 1 à 15 couches de  graphène (figure 1).  Partant de là, une modélisation de la structure  a  permis  de  distinguer  les  phénomènes  de  conduction et d’interfaces entre couches. Les  mesures  d’intensité  du  courant  ont  permis  d’analyser la variation du bruit en fonction du  nombre de couches et, avec l’aide du modèle,  de  séparer  le  bruit  de  surface  du  bruit  de  volume.  On  voit  que  le  bruit  suit  fidèlement  une loi en 1/f (α~1) quel le soit le nombre de  couches (figure 2). On détermine que le bruit  de  volume  l’emporte  sur  le  bruit  de  surface  dès  lors  que  le  nombre  de  couches  est  supérieur à 7 ou, de façon plus précise, que le    bruit  engendré  par  la  couche  de  surface  équivaut  à  six  fois  le  bruit  engendré  par  chacune  des  couches  inférieures  qui  constituent  le  volume  (figure  3).   Figure  1 :  (a)  Vue  générale  du  dispositif  faisant  apparaitre  les  électrodes  (en  jaune)  et  l’empilement  de  graphène (en bleu). Le bâtonnet noir donne l’échelle (3 μm). (b) Balayage au microscope électronique selon la  ligne  en  pointillé  faisant  apparaitre  une  épaisseur  de  3.4  nm  pour  un  empilement  à  7  couches.  Source :  Balandin & Al.     Figure 2 : Courbes de variation du bruit en fonction du  nombre de couches. Source : Balandin & Al.  Figure  3 :  Décomposition  de  l’origine  du  bruit  en  fonction du nombre de couches. Source : Balandin &  Al.    Les  résultats  sont  très  importants  pour  la  conception  des  futurs  composants  électroniques.  En  effet,  la  taille  des  composants  diminue  en  permanence,  en  particulier ceux de la filière CMOS, et le bruit  en  1/f  devient  limitant.  Ce  bruit  perturbe  également les circuits à haute fréquence. Avec  des  épaisseurs  de  couche  s’approchant  du  nanomètre, il est important de savoir à partir  de quel seuil, le bruit en 1/f devient un bruit  de  surface  pur,  même  si  ce  seuil  peut  dépendre du matériau considéré.  Les  résultats  seront  également  utiles  pour  développer  les  applications  du  graphène.  Le  graphène  n’a  pas  de  bande  interdite  ce  qui  entrave  son  utilisation  pour  des  applications  non analogiques. Par contre, c’est un matériau  intéressant pour des composants analogiques  entrant dans la conception de capteurs ou de  transmetteurs.  Il  sera  alors  essentiel  de  pouvoir y maîtriser le bruit en 1/f.