Réalisation d'un capteur de gaz MOX

II.7 caractérisation électrique

II.7.1 Méthode de la pointe chaude pour la détermination du type de conductivité dans un semiconducteur

C'est une technique qui repose sur le principe de l'effet thermoélectrique, elle est rapide, fiable et très utilisée pour déterminer le type de conductivité d'un semiconducteur. L'outillage nécessaire est simple, il consiste simplement en une source de chaleur (fer à souder comme exemple) et un Milliampèremètre. Le fer à souder va jouer le rôle d'une source de chaleur pour l'électrode positive du milliampèremètre et l'électrode négative va jouer le rôle d'une pointe froide (figure II.14) [30]. Le milliampèremètre va indiquer une valeur positive ou négative qui indique le type des porteurs majoritaires ; sens positif type n, sens négatif type p. En effet, l'application de la pointe chaude donne de l'énergie aux électrons du semiconducteur, ce qui crée des électrons libres, la concentration des porteurs majoritaires alors augmente, ces derniers sous l'effet du gradient de leur concentration diffusent de la pointe chaude (qui leur donne naissance) vers la pointe froide. Le courant électrique qui en résulte est bouclé à travers le milliampèremètre extérieur. Le courant qui résulte de cette diffusion est défini par la première loi de Fick :

Pour un SC type n :

E (2.16)

Pour un SC type p :

E (2.17)

Avec :

q : la charge des électrons.

n, p : nombre de porteur des électrons et des trous respectivement.

ì_n, ìp : mobilité des électrons et trou respectivement.

E : champ électrique.

Ou le champ électrique E produit par un gradient de température est dit par définition le pouvoir thermoélectrique absolu (Q) suivant l'expression :

(2.18)

On remplace (2.18) dans les deux relations (2.16) et (2.17) : Pour un SC type n

(2.19)

Et pour un SC type p

(2.20)

Q_n, Q,, : pouvoir thermoélectrique absolu ; Q_n < 0, Q,, > 0. dT/dx : gradient de température.

Figure II.14. Pouvoir thermoélectrique en fonction de la température dans le silicium n et p. au-dessus de 600 °K, les échantillons deviennent intrinsèque. Les ont été calculées et les points représentent les mesures expérimentales [23].

Chapitre II Procédure expérimentale et Techniques de caractérisation

Pointe froide

Pointe chaude

-V+

0

Déplacement
d'électrons
pour équilibré
la région

_e-

SC type n

Pointe froide

Pointe chaude

-V+

0

Déplacement
de trou
pour équilibré
la région

_p-

SC type p

Pointe froide

Pointe chaude

Zone
chargée (-)

Zone

chargée (+)

-V+

Champ électrique SC type n

Pointe froide

Pointe chaude

Zone
chargée (+)

Zone

chargée (-)

-V+

Champ électrique SC type p

(a) (b)

Figure II.15. Schéma de principe de technique de la pointe chaude : (a) SC type n, (b) SC
type p L30].

II.7.2 Mesure de l'épaisseur des couches minces métalliques par la méthode des quatre pointes

La méthode des quatre pointes est utilisée pour la mesure de la résistivité des semi conducteurs épais ou en couche déposée sur un isolant dans la majorité des cas L22]. Mais, elle peut aussi être sollicitée pour mesuré l'épaisseur de couches minces métalliques la ou la résistivité ne varie pas beaucoup. Cette technique a deux variantes :

v' La méthode des quatre pointes alignées (ou de Wenner).

v' La méthode des quatre pointes carrées (ou de Van der Pauw).

Nous avons utilisé la méthode des quatre pointes alignées pour la mesure de l'épaisseur de nos échantillons. Les quatre pointes conductrices (A B C D de gauche à droite respectivement) et disposées en ligne droite de méme espacement sont appliquées à l'échantillon comme le montre la figure II.14 par simple pression (voir annexe). Un courant I est injecté au point A. les équipotentielles sont des cylindres de rayons r, et de hauteur e, avec une surface : S = 2 ð r e. les lignes de courant sont parallèles à la surface entre deux cylindres séparés d'une distance dr [6].

Ampère mètre

Surface équipotentielle V=cte

I

Ligne de courant

dr

Générateur de

tension

V

Échantillon

a) b)

Figure II.16. a)Configuration des quatre pointes alignées, b) Lignes de courant et surfaces
équipotentielles pour couche mince.

La résistance entre deux cylindres est donnée par :

dR = ñ dr / (2 ð r e) (2.21)

Où ñ c'est la résistivité, e l'épaisseur et r le rayon du cylindre équipotentielle.

La différence de potentielle (ddp) ainsi crée entre les deux cylindres B et C est donnée selon la loi d'Ohm :

dV = I dR = I ñ dr / (2 ð r e) (2.22)

Entre les pointes B et C distantes de _rAB ^et _rAC, on pourra calculer la chute de tension on intégrant la relation II.19.

(2.23)

Dans le cas ou rAC = 2rAB l'équation 2.20 devient :

VBC = ñ I ln(2)/ (2 ð e) (2.24)

On déduit que la résistivité s'écrit :

ñ = (e 2 ð /ln (2)) VBC/I (2.25)

en tenant en compte des effets d'interactions entre les lignes de courants et de la forme géométrique de l'échantillon, la résistivité ñ tiens compte du facteur de forme F( a/d, d/s, e/s).

ñ = (e 2 ð /ln (2)) _VBC/I F(a/d, d/s, e/s) (2.26)

donc l'expression de la résistivité devient:

ñ = 4,53 e _VBC/I F(a/d, d/s, e/s) (2.27)

Dans l'approximation ou les couches minces sont considérées comme des matériaux bidimensionnels dont l'épaisseur l est suffisamment petite devant la distance entre les pointes, l'expression (2.27) devient :

ñ = e Rsheet (2.28)

avec

Rsheet = VBC/I F(a/d, d/s, e/s) 4.53 (2.29)

F(a/d, d/s) F(a/d) et F(e/s) = 1 (2.30)

II.8 Banc d'essai et de mesure de la réponse du capteur au gaz d'éthanol II.8.1 Gaz utilisé

Le choix de gaz à détecter dépend des applications visées. Dans ce travail, nous avons utilisé le gaz d'éthanol C2H5OH.

L'éthanol ou alcool éthylique est un alcool possédant la structure semi-développée suivante : CH3-CH2-OH. C'est un liquide incolore, miscible dans l'eau en toutes proportions. Produit pour la première fois par fermentation de sucres naturels, actuellement on le fabrique industriellement par hydratation de l'éthylène.

L'éthanol est utilisé comme intermédiaire de synthèse dans l'industrie chimique et comme solvant. Présentement on l'utilise comme source d'énergie motrice alternative aux hydrocarbures. S'agissant d'un produit volatile qui passe de l'état liquide à l'état gazeux à température ambiante, son large champ d'application touche tant les unités à prévenir des risques que ceux relatifs au contrôle de qualité alimentaire (station service, silos à grain, chambre froide de stockage, etc....).