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Lebruitdissytrique
ducourantélectrique
Julien Gabelli
gabelli@lps.u-psud.fr
Bertrand Reulet
reulet@lps.u-psud.fr
LaboratoiredePhysiquedesSolides,UMR 8502,CNRS/UniversitéParis-Sud11,Orsay
Lesfluctuationsducourantélectrique,phénomènesgénéralementqualifiésde «bruit»,ne sontpastoujours le
résultatde lanégligencedeceluiquilesobserve. Lebruitélectroniquenaîtde ladansedesélectronsdansles
conducteurs.Leconsidérercomme une cacophonie,cest oublierquelanaturenefaitquesuivrelapartition
dictée parlacaniquequantique. Adapternosoreillespour reconnaîtrecettemusique,tel est l’undesenjeux
de laphysiquemésoscopiquemoderne. Endéveloppantlesoutilsadaptéspour mesureretcomprendrecebruit,
on peut remonteraux principesfondamentaux dutransport électronique.
premièrevue,le bruitélectroniqueest unphéno-
mène néfaste,quinefaitquedégraderlinforma-
tion portée parle signal. Ildoitdoncêtretraqué
puiséliminé. Dansle casdesmicro-processeurs,cœur de
nosordinateurs,cebruitpeut êtreresponsable derreurs
de calculetpour mieux le combattre,nous avonsapprisà
le caractériseretàremonteràsesorigines.Cest ainsique
lesmicro-processeurs sontrefroidisen partie afin de limi-
terle bruitthermique ,qu’ilssontfabriquésdansdesmaté-
riaux semi-conducteurs de plus en plus purs pour réduire
le bruitdittélégraphique ,dûaux mouvements aatoires
desimpuretés.Cependant,en yregardantde plus près,le
bruitélectroniquepeut s’avérerutile lorsqu’il est par
exemple àlorigine de laréalisation de thermomètrespri-
maires(cesthermomètresne nécessitentaucune calibra-
tion carlatempératuremesurée découle directement
d’une loi physiquefondamentale) fonctionnantsur plus
de 5décadesde température,oulorsqu’il constitueune
solution de remplacementdesgénérateurs de nombres
pseudo-aatoiresdanslélaboration de protocolesde cryp-
tographie. Enréalité,au-delàde cetteutilité,le bruitélec-
troniques’avèrtreunformidable outil dinvestigation
descanismesde conduction. Cest danscetespritque
le physicien aricain Rolf Landauer,l’undesresde la
physiquemésoscopique,aaffirmé il yaune trentaine
dannées:«Noiseisthe signal»!Ilexprimaitainsiclaire-
mentqu’une compréhension profonde desfluctuations
de courantélectriqueconstituaitune sourceprécieuse
dinformationssur lescanismesde conduction. Les
fluctuationsde courantsonten effetle fruitdesnatures
statistiqueetquantiquedutransport électroniquedansles
conducteurs etleur mesureconstitueuntest poussédela
théorie. Alors quelesmesurestraditionnellessintéres-
sentaucourantmoyen Iausein d’uchantillon polarisé
parune tension V(cequipermetde définirlaconduc-
tanceG=I / V),nous allonsnous concentrersur lesproprié-
tésstatistiquesdesfluctuationsducouranti( t )en fonction
dutemps.Une mesuredesfluctuationsest donnée parla
distribution de probabilitéP ( i )ducourantmesurésur un
intervalle de tempsΔ t .P ( i ) di est laprobabilitédemesurer
uncourantde valeur compriseentreieti+di aucours de la
mesureeffectuée pendantΔ t .CherchantàcaractériserP ( i ) ,
nous commençonsparsavaleur moyenne I=〈i( t )etsa
varianceΔ I 2=〈δ i 2 (oùδ i( t )=i( t )−I)quidonne lalargeur
de ladistribution P(i ) .Cettedernièrequantitéacom-
mencéàêtrtudiée il yaunscle environ,etnous rap-
pelleronsquelques-unsdesprincipaux résultats dansle
casdubruitthermique. Une étude plus fine desproprié-
tésde P( i )conduitàs’intéresseraux moments dordre
surieur de ladistribution :〈δin 〉,n3.Sicetttude na
butéquetrèsrécemment(premièremesurede〈δi3 en
2003),cest en partie en vertu duthéorème de lalimite
centrale,quistipule queladistribution de probabilitéd’un
trèsgrand nombredévénements indépendants tend vers
une distribution gaussienne (voirencadré1). Eneffet,
cettedistribution limittantsytriqueautour de sa
moyenne,le momentdordretrois〈δi3 de ladistribution
P( i )tend vers zéro. Nous allonsmontrerque,en réalité,
〈δi3 est non nuletquesamesureest influencée par
lenvironnementélectromagnétiquedeléchantillon,
cest-à-direparle dispositif de mesurelui-même. Nous le
montreronstout daborddansle casd’une simple
«résistancechauffantpuisnous nous intéresseronsau
casd’unconducteur àléchelle mésoscopique,oùla
naturecorpusculairedesélectronsest àlorigine dubruit.
Nous montreronsenfin lesrésultats d’une mesuredu
troisième momentdanslalimitequantiquetrèsbasse
températureethautefréquence.
A
Lebruitdissytriqueducourantélectrique
36
CommençonsparlavarianceΔ I 2=〈δi 2 .Sa mesureest
esquissée sur lafigure1a .Àléquilibre(V=0),lesfluctua-
tionsducourantsontle refletde lagitation thermiquedes
électronsainsiqueducaractèredésordonné duconduc-
teur,quisetraduitparune plus oumoinsgrande conducti-
vité. Cetterelation de causeàeffetsetraduitparune
correspondancetrèsgénérale entrelesfluctuationsΔ I 2etla
dissipation (reliée àlaconductanclectriqueG )ducou-
rantausein duconducteur.Dansle casquinous intéresse,
elle est donnée parlaformule de Johnson etNyquist
(1928) :Δ I 2= 4 Gk B TΔ f ,oùk B= 1.38×10 23 JK1est lacons-
tantedeBoltzman,TlatempératureetΔ flabande pas-
santedelappareil de mesure(fréquencemaximale des
fluctuationsmesurablesparlampèremètre). Notonsque
lon pourraitégalementmesurerlesfluctuationsde ten-
sion aux bornesduconducteur,voirfigure1b .Cesdeux
fonsdeffectuerlamesuredonnentdesrésultats
équivalents ;de même quelesvaleurs moyennessont
reliéesparV=RI (oùR=1 / Gest larésistance),lesfluctua-
tionssatisfontlarelation Δ V=RΔ I.Nous verronsparla
suitequecerésultatsimple ne s’étend pasaux moments
dordressurieurs.
Bruithors d’équilibre:chauffage
Qu’advient-il de P ( i )lorsqu’une tension est appliquée
aux bornesd’unconducteur ?Commençonsparconsidérer
une simple résistance. Nous savons,daprèslesloisde la
thermodynamique,queP ( i )est une distribution gaus-
sienne àléquilibre,cest-à-direlorsqu’aucune tension nest
appliquée aux bornesde larésistance. Hors déquilibre,le
courantquilaparcourt dissipe de lénergie pareffetJoule
(correspondantàune puissanceP J=RI2 ),cequvesa
température. Lagitation thermique(etdoncle bruit)aug-
mentant,Δ I 2crtavecle courantmoyen. Lebruitfaitdans
cecasofficedethermomètre. Cenest cependantpastout.
Loi de Gauss Théorème de lalimitecentrale
Encadré 1
Ondéfinitlaloi de probabilitégaussienne (ouloi normale)
de lavariable X ,de moyenne X etde varianceΔ X2par:
Cettedistribution est sytriqueautour de savaleur
moyenne :P(X x )= P(X + x ),etparconséquent
.
Lomniprésencedelaloi gaussienne danslanaturevient
duthéorème de lalimitecentrale,quistipule quesilavariable
Xest lamoyenne d’ungrand nombreNde variablesaatoires
indépendantesx 1,... ,x N:
,
alors ladistribution de Xsuitune loi gaussienne de moyenne
etde variance
,
etcequellesquesoientlesdistributionsde probabilitédesx n.
Unampèremètredebande passanteΔ fmesurelecourant
moyenné durantuntempsΔf–1,quiest en généraltrèslong
parrapport autempsquiséparelepassage de deux électrons
e / I( 10 –13spour I=1 µA ). Autrementdit,le nombredélec-
tronsN=I /(e Δ f)accumulé lors d’une mesureest trèsgrand.
Parconséquent,même siladistribution de probabilitéqui
régitle passage de chaqulectron est non-gaussienne,celle
ducourantintégrépendantΔ f1est trèsproche d’une
gaussienne (notreexriencecorrespond àΔ f100 MHzet
N10 5). Pour tecterlécart àlagaussienne,il faudrarépéter
lesmesurespendantplusieurs jours.
PX x
X
xX
X
() exp–
==
1
2
1
2
2
2
π
ΔΔ
〈〈〉〉 〈〉(– )(–)()
XX xXPxdx
33
0==
XNx
Nn
n
N
==
lim1
1
〈〉 〈〉
XNxn
n
N
=
=
1
1
ΔΔ
XNxn
n
N
22
1
1
=
=
Figure1Distribution de Gauss.
Figure2Représentation desfluctuationsducourantélectrique. Un
appareil de mesuredebande passanteΔ fmesurelacharge quitraversele
conducteur pendantuntempsΔ f–1.Oneffectuelastatistiquedecette
mesurepour en déduirelaloi de distribution ducourant.
37
Lebruitdissytriqueducourantélectrique
Lapplication d’une tension abriséune sytrie (voir
figure1c ):le courantélectriqueachoisiunsens,de sorte
quesesfluctuationsnontplus de raison aprioridêtre
sytriquesautour de lavaleur moyenne :.
Celasetraduitparlapparition d’unmomentdordre
trois:〈δi 3 0.Parquel mécanisme ?Parrétroaction ther-
mique. Une fluctuation lentedecourantδ i ( t )induitune
variation de lapuissancedissipée pareffetJoule,
δ P J( t )= 2 RI δ i ( t ) ,quisetraduitparune variation de tempé-
rature,oùG Test laconductancethermi-
queentrelesélectronsetleur thermostat.Ilyadoncune
corrélation entreδ i ( t )etδ T ( t ) ,soit〈δiδ T0.Comme
δ T ( t )est relié à〈δi 2 (le bruitest unthermomètre),il en
résultelapparition d’unmomentdordretroisdesfluctua-
tionsducourant,assocaufaitquelesélectronsne sont
pasparfaitementthermalisésetqueléquilibrethermique
nest atteintqu’aubout d’uncertain tempscaractéristique
de thermalisation. Eneffet,lescorrélationsentrefluctua-
tionsde courantetfluctuationsde températurenevont
avoirlieuquesilatempératureale tempsde suivrele
chauffage,cest-à-direpour destempsplus longsquele
tempsde thermalisation desélectrons.Autrementdit,seu-
leslesfluctuationslentescontribuentautroisième
moment.Nous voyonsalors sedessinerleslimitesde la
description en terme de densitédeprobabilité:lastatisti-
queest effectuée sur une mesuredurantΔ tetne permet
pasde définirprécisémentlesfluctuationsquiontlieuà
deséchellesde tempsdistinctes.La description purement
statistiquenesuffitdoncplus etil vafalloirsintéresseràla
dépendanceenfréquencedescorrélationsdesfluctuations
de courant.Nous reviendronssur cepointdansle cadrede
lacaniquequantique. Malgrélapetitessedeleffet,qui
limitepour le momentson observation exrimentale,et
lessubtilitésliéesàsadépendanceenfréquence,il appa-
raîtclairementquelamajoritédesappareilsélectriques
quinous entourent(four,ampoule,etc.) émettentunbruit
dissytrique. Nous venonsde prouver,dansle casd’une
résistance,quelaraison pour laquelle le bruitest dissymé-
triqueprovientducouplage thermiqueentrelarésistance
etson environnementetnous verronsparlasuitequece
couplage àlenvironnementpeut êtredorigine électroma-
gnétique. Ilexistecependantdessystèmespour lesquelsle
bruitest intrinsèquementdissytrique. Cest parexem-
ple le casdespetits objets,oùle bruittrouveson origine
danslanaturecorpusculairedesélectrons.Nous nom-
monsle bruitassoc«bruitde grenaille »,quenous
allonsmaintenantaborder.
Bruitde grenaille d’une jonction
tunnel
La jonction tunnel est larctype duconducteur
soscopiqueprésentantdubruitde grenaille. Elle est
composée de deux contacts talliquesséparésparune
fine couche disolant(quelquesnanomètresdépaisseur,
voirfigure2 ). La conduction électriqueest assurée parle
passage aatoiredesélectronsd’uncontactàlautrepar
effettunnel,effetquantiquelàlanatureondulatoiredes
électronsàcettchelle.
Lecourantrésultantest une suitedimpulsionsasso-
ciéesaupassage de chaqulectron. Àlimage dubruit
quefontlesgouttesde pluie tombantsur unparapluie,
cestrainsdimpulsionssontàlorigine dubruitde gre-
naille électronique. Dansle casde lajonction tunnel,
létude statistiquedesfluctuationsducourantseramène
audénombrementdeschargesquitraversentlajonction
durantunintervalle de tempsdonné (voirencadré2 ). Les
passagessuccessifsdesélectronsétantindépendants les
unsdesautres,on peut montrerquelecourantsuitune sta-
tistiquedePoisson dontlavarianceest donnée par:
Δ I 2= 2 qIΔfoùqest lacharge desporteurs ducourantélec-
trique(cecinest valable quedanslalimiteI>>Gk B T / q ). La
mesuredubruitrévèle parconséquentlacharge q;dansun
conducteur ordinaire,q=eoùe=1.6×10 19Cest lacharge
Figure1–(a)Mesuredesfluctuationsde couranti ( t )dansuncircuitalimenté
parungénérateur de tension. La variance
Δ
I2est obtenueàpartirde lhisto-
gramme desvaleurs de i ( t )mesuréesaucours dutemps.(b)Mesuredesfluc-
tuationsde tension v ( t )aux bornesd’ungénérateur dintensité,doùsont
extraiteslavariance
Δ
V2 .(c)Histogramme desfluctuationsde courant/tension.
PiPi(– )()
δδ
δδTtGPt
TJ
() ()
=1
Lebruitdissytriqueducourantélectrique
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de lélectron. Onpeut égalementobserverqepour des
conducteurs plus complexes:q=2epour une jonction
entreunmétalnormaletunmétalsupraconducteur,q=e / 3
dansle régime deffetHall fractionnaire,etc.Parailleurs,la
statistiquedePoisson,propreaucanisme de transport à
travers lajonction tunnel,présenteunmomentdordre3
donné par〈δi 3 〉=q 2 IΔ f2 .Remarquonsquecedernier
s’annule àléquilibreI=0,valeur pour laquelle lasytrie
desfluctuationsde courantest restaurée. 〈δi 3 resteainsi
indépendantde latempératurecontrairementà〈δi 2 qui
bassesfréquences,nest plus lié qu’aux fluctuationsther-
miques.Cetteprédiction aétévérifiée exrimentalement,
depuislatempératureordinairejusqu’àdestempératures
inférieuresàundegréKelvin.
Troisième momentdesfluctuations:
effets de l’environnement
électromagnétique
Nous avonsvuquelesmoments dordre2desfluctua-
tionsde courantàVfixéetde tension àIfixéétaient
proportionnels:Δ V=RΔ I .Qu’en est-il desmoments
dordressurieurs ?Cettequestion s’avèreessentielle
puisque,exrimentalement,il est souventplus facile
dimposeruncourantetde mesurerune tension que
linverse(aumoinspour uchantillon pastrop résistif).
Nous allonsvoirquelepassage d’une polarisation en
Modélisation de lajonction tunnel -loi de Poisson
Encadré 2
Onpeut modéliserle courantélectriquequitraverseune
jonction tunnel en considérantquelepassage de chaque
électron àtravers labarrretunnel est indépendantde celui
desautresetquecepassage s’effectueàchaqueintervalle de
tempsτavecune probabilitéD.Si,danslalimiteD0,
lélectron aune probabilitédepassage parunitédetemps
γ=Dconstante,alors ceprocessus est similaireauphéno-
mène de désexcitation radioactivequisuitune loi de
Poisson.
Pour lajonction tunnel,γ=I / epeut êtrevarié en chan-
geantlatension de polarisation. Lesfluctuationsducourant
sontrégiesparlaloi de Poisson (voirfigure1),pour laquelle
tous lesmoments sontproportionnelsaucourantmoyen :
〈δi ne n1I .Enparticulier,ladistribution de probabiliténest
passytriqueautour de savaleur moyenne. Cettebrisurede
sytrie vientdufaitquetous lesélectronsvontdansle
même sens:laprobabilitédavoiruncourantnégatif est nulle.
Cettesytrie est brisée dèsquelatension appliquée est suffi-
sante,cest-à-direpour e V>k BT.
Onpeut retrouvercerésultatsimplementàlaide de notre
petitmodèle :le passage d’ulectron durantuntempsτcrée
une impulsion de courantde valeur moyenne e .Puisquele
passage de lélectron seproduitavecune probabilitéD ,le cou-
rantmoyen est donné parI=〈i 〉=D e .Demême,la
moyenne ducarréducourantest i 2〉=D (e) 2,etlavariance
Δ I 2=〈i 2i 2=( e /τ) ( 1D )I(lesimpulsionsde courantne
sechevauchentpas). PuisqueD<< 1ontrouveΔ I 2=e I Δ foù
Δ f∼τ
1.Demême :
Figure1Distributionsde Poisson (courberouge) pour deux valeurs de la
moyenne X .Lescourbesen pointillésreprésententlesdistributionsde
Gauss de même valeur moyenne etmême variance. Onnotequelescour-
besrougessontasytriquesalors quelescourbesnoirespointilléessont
sytriques.
〈〉
δτiDfI
nn
ne==(/)( )
eΔ1
Figure2Image obtenueaumicroscope àforceatomiqued’une jonction
tunnel,composée de deux contacts daluminiumséparésparune couche iso-
lantedoxyde daluminium. La surfacedelajonction de 10µm2assureune
transmission trèsfaible parunitédesurfaceetune résistanceproche de
50Ω(photographie :Lafe Spietz,Yale University).
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Lebruitdissytriqueducourantélectrique
tension àune polarisation en courantnest malheureuse-
mentpassanseffetPour le comprendre,considéronsle
circuitde lafigure3:une jonction tunnel est polarisée au
travers d’une résistanceR 0 .LecasR 0=0correspond àune
polarisation en tension parfaiteetle casR 0àune pola-
risation en courantparfaite. DèsqueR 00,lesfluctuations
de courantδ i ( t )engendréesparléchantillon induisentdes
fluctuationsde tension δ v ( t )=R 0 δ i ( t ) .Puisque,viale
bruitde grenaille,lavariancedubruit〈δi 2 dépend de la
tension aux bornesde léchantillon,il vayavoircorrélation
entreδ ietδ i 2 ,doùune contribution à〈δi 3 ...
Cephénomène correspond àune rétroaction de lenvi-
ronnementélectromagnétique(modéliséparR 0 ),similaire
àlarétroaction thermiqueabordée dansle casde larésis-
tancedechauffage. Exrimentalement,lesfluctuations
de courantmisesen jeudanslesconducteurs étudiéssont
extrêmementpetitesetcessitentdêtreamplifiées.La
résistanceR 0est alors limpédancedentrée de lamplifica-
teur,quivaut généralement50Ohmsdanslescircuits
haute-fréquence. Àcecis’ajoutentlesfluctuationsthermi-
quesde R 0quimodulentle bruitémisparlajonction con-
tribuantaussiautroisième moment.Cestermesliésaux
rétroactionsélectromagnétiqueetthermiquevontdonc
contribuerà«noyer»letroisième momentintrinsèque
quelon cherche àisolerdansle soucidemieux compren-
drelescanismesdutransport,iciassocsàunproces-
sus poissonnien. Lerésultatde lamesuredépend donc
crucialementdudispositif exrimental. Comme pour le
couplage thermiqueàlenvironnement,larétroaction élec-
tromagnétiquenest pasinstantanée :le faitqueR 0
dépende de lafréquenceinduitune dépendanceenfré-
quencede〈δi 3 ,quenous allonsmaintenantétudier.
Mesuresàfréquencenon nulle
Lexistencedetempscaractéristiquesducouplage du
système àlenvironnement,de tempsde relaxation dusys-
tème lui-même,ouencoredetempsde réponsedusys-
tème de mesure,nous imposedetenircomptedu
caractèretemporel desfluctuationsou,cequenous allons
privilégierici,ducaractèrefréquentiel. Nous avonsvuque
lavariancemesurée parle dispositif de lafigure1aest pro-
portionnelle àlabande passanteΔ fde lappareil de
mesure. Elle correspond àlapuissancmisepar
lensemble descomposantesspectralesdusignaldontles
fréquencessontcomprisesentre0etΔ f.Cependant,
comme unphotographe utiliseraitdesfiltrescoloréspour
sélectionnerune couleur particulièrmiseparunobjet
multicolore,on peut prendreencompteladépendanceen
fréquencedelavariance,en restreignantlintervalle de
fréquenceàlaide d’unfiltredelargeur Δ fcentréautour
d’une fréquencechoisie f.Onpeut alors définirladensité
spectrale de bruitàlafréquencefparS 2 (f)I (f)2 /Δf.
S2 (f)est proportionnelle àlapuissanclectriquepor-
tée parle signaldansune tranche de fréquencesde
1Hertz autour de f.Sa mesureest obtenuegrâceàun
tecteur de puissance(une diode quimesurelecarrédu
courant)précédé d’unfiltrepasse-bande àlafréquencef
(voirfigure4a ).
Ilapparaîtnaturel,auvudumontage exrimental
considéré,de décomposerlesfluctuationstemporelles
ducourantdanslespacedesfréquences:
.Lefiltrepassebande ne laisse
alors passerquelescomposantesspectralesdanslesinterval-
lesde fréquences[fΔ f/ 2,f+Δ f/ 2]et[fΔ f /2,f+Δ f /2].
Onpeut ré-écrire.Cettedescription
fréquencielle permetde définirde manièreidentiquele
corrélateur dordre3ducourant(pendantdutroisième
momentde ladistribution descourants)par:
Figure3Effetde lenvironnementélectromagnétique(schématiséparla
résistanceR 0 )lors de lamesuredesmoments dordressurieurs desfluc-
tuationsde tension δ v ( t ). Lesfluctuationsde courantδ i (t )duesaubruitde
grenaille sontmodéliséesparune sourcedecouranten parallèle de lajonc-
tion tunnel.
Figure4Dispositif radiofréquenceutilisépour lamesure(a)dudeuxième
momentS 2 (f)àfréquencef ,(b)dutroisième momentS 3 (f ,0)aux fré-
quencesfet0.
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