HA) & (KA

10 20 30 UO minutes

Fig. 3.

subsiste la difficulté relative au bon contact entre le solide et ses électrodes. Ces dernières sont appuyées sur la craie à l’aide d’une presse à vis dont le serrage n’est limité que par la résistance mécanique de la roche. L'expérience montre que .pour des serrages faibles, l'intensité du courant est fonction croissante de la compression. Pour des serrages voisins de la limite permise, celte cause d'erreur diminue beaucoup. J'ai toujours utilisé la pression maxima en m'interdisant de la modifier en cours d'expérience. J’ai aussi employé des feuilles minces d'aluminium plaquées sur les faces intéressées de la roche et qui assurent un bon contact. Mais dans le cas de craie impure, ces feuilles sont altérées et font adhérer la roche à ses électrodes; les électrodes nues, en plomb, sont alors préférables.

te) PIERRE VIDAL

Le contact avec les électrodes est une des difficultés de l'étude des semi-conducteurs.

La craie impure donne des phénomènes complexes. — Dès le début, celle-ci se laisse traverser par des courants beaucoup plus intenses qu’un échantillon de craie lavée, provenant du même bloc et placé dans les mêmes conditions. La courbe représentant la décroissance de l'intensité du courant en fonction du temps est régulière dans le second cas, tandis que dans le premier elle présente des fluctuations imputables à l’arrivée de « paquets » d’ions aux électrodes.

La figure 3 permet la comparaison :

L’échanti lon naturel impur (courbe 1) (S— 7 cm? ; k—#4,9 cm.) est parcouru par un courant d'intensité initiale 3 200 A qui décroît à près de 500 A en 5o minutes, en présentant un premier maximum après 3 minutes et un maximum secondaire après 20 minutes.‘

L’échantillon lavé (courbe I) S— 7,8 cm? ; h — 7,7 cm.) est parcouru par un courant 100 fois plus faible environ ; il décroît de 25 LA à 1 wAen une dizaine de minutes, puis à partir de la quinzième minute, conserve une valeur sensiblement constante de 0,8 yA.

La craie lavée apparaît ainsi comme un semi-conducteur plus normal et de plus grande résistivité électrique que la craie naturelle impure.

Comparaison des trois types de craie : impure, lavée, pure.

Conductibilité électrique. — En supposant que l’on puisse appliquer la loi d’Ohm aux semi-conducteurs, on peut calculer des conductibilités apparentes qui permettent la comparaison.

S SE V est la tension appliquée aux électrodes, I l'intensité du courant, S la surface de contact d’une électrode, / l'épaisseur de la craie.

La nature des électrodes est sans influence sur cette résistivité. L'état hygrométrique de la craie (et de l’air), ainsi que la température ambiante, apportent des perturbations qui pratiquement restent faibles devant les écarts qui séparent chaque type de craie. Plus gênante est la variation de cette résistivité avec la durée de passage du courant, notamment au premier essai d’une craie nouvelle où le semi-conducteur semble se former à sa fonction et présente parfois des anomalies qui disparaissent par la suite; c’est ainsi que la résistivité présente parfois un maximum ou minimum relatifs. Lorsque le fait se présente la valeur correspondante est représentée par p,, tandis que p, et o, sont les résistivités initiale et limite.

Dans la première colonne du tableau suivant, les valeurs de la résistivité en mégohms-centimètre, correspondent à un certain sens du cou-

rant, tandis que celles de la seconde sont relatives au sens inverse, mesurée après repos du semi-conducteur. Ce sont les résultats des deux premières mesures faites sur chaque échantillon ; nous verrons en effet que la résistivité limite croît au cours des essais successifs,

En mégohm-cm.

En mégohm-cm.

Sens : —+ SOS Te

pu pm Pæ po Pm Pc

Craie impure. 0,37 0,38 rer à 45) en) 7 Craie « lavée » AE » 30 0,8 D» ARS

Craie « pure » 26,3 » 1190 218 » 29bo Craie « pure » 110 109 2 330 (inversion non faite)

La résistivité limite de la craie pure atteint plusieurs milliers de mégohms-centimètre ; elle n’est que de quelques dizaines de cette unité pour la craie « lavée », et enfin reste inférieure à ro MQ-cm. pour la craie impure possédant la polarisation spontanée.

Un point commun à tous ces échantillons est l’anisotropie électrique : la résistivité dépend du sens du courant dans la roche. Avec des échantillons cubiques. j'ai cherché à déterminer les directions respectives des maxima et des minima de la résistivité : les vecteurs représentatifs ne sont pas portés exactement par la même droite, leur angle est cependant voisin de 1800.

La lave de Volvic donne des perturbations analogues à celles de la craie impure et possède une conductibilité du même ordre de grandeur ; elle est aussi anisotrope au point de vue électrique.

Variation lente de la résistivité limite. Altération des électrodes. — a) Craie impure.— Au cours des expériences successives on constate une augmentation de la résistivité limite. En exprimant ces résistivités en mégohms-centimètre, un échantillon après 5 jours de passage du courant a donné la valeur 1,17; après diverses expériences, au bout d’un mois, la valeur atteignait 5. L’épuration électrique peut être invoquée ; elle est encore mise en évidence par la forte adhérence des électrodes de plomb au morceau de craie. Ces électrodes portaient des taches brunes (PbO:) et leur séparation de la craie entraine la rupture de celle-ci suivant des surfaces à peu près réglées, normales aux électrodes.

b) Craie « lavée ». — Elle provient de la même roche que l'échantillon . précédent. La résistivité limite passe de 31,3 MG-cm. (courant pendant L jours) à 67,5 MQ-cm. (même durée de passage) après 17 jours d’expérimentations diverses.

Les électrodes de plomb font corps avec le semi-conducteur malgré l'interposition de feuilles minces d’aluminium. Ces dernières sont fortement altérées, des parcelles restent adhérentes au plomb, d'autres à la craie dont les surfaces de contact sont devenues brillantes. L’échantillon se brise dans le même sens que dans le cas précédent.

c) Craie « pure ». — Il y a encore augmentation de la résistivité limite; deux mesures à 12 jours d'intervalle ont donné successivement 2 330, puis 3 780 MQ-cm.

Mais cette fois, les électrodes n’adhèrent plus à la craie ; il n'y a pas d’altération visible, ni sur les électrodes, ni sur le semi-conducteur. Cependant, après plusieurs mois d'expériences sur ce type de craie, les électrodes de nickel poli utilisé avaient leur éclat légèrement atténué par quelques « piqüres » comme en auraient fait des coups d’épingle. Je n’ai rien observé sur le plomb, plus terne.

Nous sommes en présence du semi-conducteur normal qui, seul, sera étudié dans ce qui suit.

Le semi-conducteur normal. — Variation de l'intensité du courant avec le temps sous tension fixe.— Pour rendre comparables les mesures faites avec divers échantillons, il est commode de considérer le quotient E de la tension appliquée par l’épaisseur du semi-conducteur ; on peut appeler aussi ce quotient champ directeur et on l’exprime en volts par centimètre.

Dans le cas habituel de mes expériences, une tension de 80 volts crée un champ directeur de 13 à 16 V/cm. et les variations de l’intensité du courant en fonction du temps sont représentées par la figure 4a, qui se rapporte à un échantillon de craie pure pour E= 16 V/cm.

La courbe (?) montre que le courant de valeur initiale 45 —4,07 A décroît de moins en moins vite avec le temps, atteignant 1,95 wA en 10 minutes, puis, en 5 jours, la valeur limite pratiquement constante 1, —=0,16 HA qui n’est que 1/25 du courant initial. Pour pouvoir représenter le phénomène dans son ensemble, il faudrait utiliser des coordonnées logarithmiques pour le temps ; en général, ce sont les variations pendant les premières heures qui nous intéressent, nous utilisons alors la courbe (log ?, fig. Aa), représentant : log : — f{(#).

L’intensité limite, de valeur pratiquement constante, n’est atteinte, en général, qu'après plusieurs jours de passage du courant.

Avec des champs directeurs moins grands, le phénomène conserve son allure ; la décroissance de l'intensité du courant est moins rapide.

Dans le cas de champs très faibles, le phénomène peut être différent ; ainsi, avec un champ de 0,75 V/cm. (électrodes d'aluminium), lors du premier passage du courant dans un échantillon de craie lavée, la valeur initiale 5 — 4,4 pA a augmenté jusqu'à 33 y.A en 4 heures, diminuant ensuite Jusqu'à 18,9 LA après 19 heures. J'ai toujours appliqué une tension suffisante pour obtenir la décroissance caractéristique du courant représentée par la figure 4a.

Influence d'une interruption de courant. — a) Cas d’une courte interruplion. — Si on interrompt le passage du courant pendant une dizaine de minutes, lorsqu'on le rétablit son intensité est supérieure à celle qu'il avait auparavant. Cette intensité décroît plus rapidement que

dans l'expérience interrompue, pour revenir en 2 ou 3 minutes à la valeur qu’elle aurait atteinte si l'interruption n’avait pas eu lieu ; la décroissance se poursuit ensuite suivant le schéma (fig. 4a).

og LÉLGA

LO minutes

Fig. 4.

b) Cas d'une longue interruption. — Après avoir laissé le semi-Conducteur longtemps au repos, on construit une nouvelle courbe des variations de l'intensité en fonction du temps. La figure 4b indique les résultats obtenus avec de la craie pure pour un champ de 15 V/cm., entre

électrodes de nickel.

I nt PIERRE VIDAL

La courbe I correspond au premier passage du courant : 9 —4;,1 A et z,—0,43 uA au bout de 6 jours.

Après diverses expériences, la courbe I[ représente la nouvelle variation : 0 = 3,55 A ; &, —0,09 LA (6 jours). On voit que la concavité de la courbe s’est accrue.

L'échantillon étant alors laissé au repos pendant 8 semaines, une nouvelle mesure a donné la courbe IT : 55 — 14,7 pA; 1, — 0,38 pA (28 heures). La concavité de cette dernière courbe est bien plus accusée que celle des précédentes ; l'intensité initiale du courant est plus importante qu'avant l'interruption et décroît aussi plus rapidement pendant les premières minutes. Il semble donc qu’à la suite de la mise en service du semi-conducteur, le repos permette la naissance d’ions nouveaux, nombreux et particulièrement mobiles. Cette mobilité accrue des ions est probablement due à une modification interne du semi-conducteur, conséquence du passage antérieur du courant, ou bien à une variation de l’état hygroscopique de la craie.

Cette évolution du semi-conducteur rend impossible la reproduction exacte d’une expérience antérieure ; c’estencore une difficulté de l’étude des semi-conducteurs.

Inversion.— a) inversion globale. — L’intensité limite étant atteinte pour un certain sens du courant, on inverse les polarités des électrodes. Dans ces expériences, au phénomène proprement dit de l’inversion, viennent se superposer les effets dus à l’anisotropie électrique de la craie.

Comme dans les liquides (9), le courant d’inversion présente en général un maximum. Dans la craie, il se produit au bout d’un temps très court ; il n’est plus décelable au galvanomètre si ce temps est inférieur à 2 ou 3 secondes après la fermeture du circuit. C’est pourquoi certaines de mes courbes n’indiquent pas ce maximum.

Non seulement les courants initiaux directs et d’inversion ont des valeurs différentes, mais il en est aussi de même des courants limites, ces derniers étant régis par l’anisotropie du semi-conducteur.

IL est instructif desectionner le semi-conducteur en trois parties (fig. 8) etd'introduire deux électrodes intermédiaires, créant ainsitrois compartiments, anodique, médian ou intermédiaire, et cathodique. Le courant limite étant atteint pour l’ensemble, quels seront les caractères des courants d'inversion dans chaque compartiment ?

b) /nversion médiane. — Ce courant d’inversion ne présente pas en

général de maximum décelable au galvanomètre. Le plus souvent (68.5,

courbe [) la courbe log ? — f(t) ressemble à celle du courant direct.

c) Inversions anodique et cathodique.— Dans ces deux cas les maximums sont le plus souvent observables au galvanomètre. Sur la figure 5, les courbes Il et IL[ représentent respectivement les variations des courants d'inversion anodique et cathodique. Le maximum est net pour l’inversion anodique, il est plus aplati dans l’autre cas, il en résulte que

le temps au bout duquel se produit le maximum cathodique est assez mal défini.

Les courants initiaux d’inversion sont plus importants dans le compartiment anodique que dans le cathodique ; il en est souvent de même pour les courants limites. Cependant pour ces derniers, l’ordre de grandeur peut être renversé, c’est le cas de la figure 5. L’anisotropie électrique du semi-conducteur intervient probablement pour modifier la valeur du courant limite ; son effet peut être additif ou soustractif suivant le sens du courant direct dans l’échantillon. On verra plus loin,

(D Mediane Inversion { (I) Anodique (IN) Cathodique

05 F 0 minutes 5 10 15 20 25 Fig. 5.

à propos de la détermination des mobilités, l'interprétation de ces phénomènes.

Voici pour un autre échantillon les valeurs des courants d’inversion, mesurées après 50 minutes, dans des expériences successives, faites à une semaine d'intervalle pendant laquelle circulait le courant direct entre les électrodes extrêmes 1 et 4 :

Courants d’inversion, après 5o minutes,

Sens du courant direct £*Primés en CRE Différence entre 1 et 4 Anodique à Cathodique £e la — le 1(+)—>4(—). . . 11,9 0,49 0,85 1(+) +4(—). . . 1,23 0,8 0,43 k(+)—1(—). . 1,88 1,10 0,72 h(+)>1(—). . . 1,08 0,7 0,32 Courant limite pour un

autre échantillon . 0, 0,04 Le 040

On voit que le courant anodique reste supérieur au courant cathodique malgré l’anisotropie de la craie dont l'effet paraît renversé entre les deux premières et les deux secondes lignes du tableau. Mêmes résultats pour le dernier échantillon. Les valeurs numériques obtenues dans les expériences successives montrent une évolution du semiconducteur dans le sens d’une augmentation de sa résistivité, tandis que l’anisotropie électrique s’atténue.

Influence d'un courant antérieur sur le courant limite. — L'intensité du courant limite décroît lentement lorsque le semi-conducteur est laissé continuellement sous tension constante. Voici les valeurs fournies par un échantillon à des intervalles d'une semaine alors qu'il restait soumis à un champ continuel de 14 V/cm.

TOM Re CS NI TIOUTS 1/4 jours 21 jours 28 jours 1. en microampères . 0,43 0,17 0,11 0,09

Il y a augmentation progressive de la résistivité qui semble pouvoir influencer le sens de l’anisotropie primitive du semi-conducteur. C’est ce qui pourrait expliquer les valeurs des courants limites d’un autre échantillon, mesurées encore à une semaine d'intervalle, sous un champ de 13 V/cm. appliqué tantôt dans un sens, tantôt en sens inverse :

Sens du courant. . . . —> —+ <— <— RES en microampères. . . 0,24 0,034 o,124 0,045 0,092

On voit dans les quatre premières mesures se superposer à l'effet d’anisotropie une diminution progressive du courant limite. Mais la dernière valeur correspond à une résistivité plus faible que la mesure 2, antérieure et correspondant au même sens du courant ; l’effet d’anisotropie de la craie semble s’être renversé.

Il se produit aussi un phénomène analogue à celui observé après une interruption prolongée du courant, à savoir une augmentation de la concavité de la courbe log ? = f'(t).

Influence du champ sur l'intensité du courant. — Lorsqu'on applique à un échantillon de craie des tensions de plus en plus grandes, le courant qui le parcourt devient de plus en plus intense. En raison de la variation de l'intensité avec le temps il faut attendre à chaque mesure que le courant soit devenu à peu près constant pour

que les expériences soient sensiblement reproductibles dans des condi-

tions hygroscopiques analogues. Ayant atteint la tension de 900 volts par paliers croissants successifs de 75 volts, j'ai répété les mesures par paliers identiques décroissants ; les valeurs obtenues sont : pratiquement les mêmes dans les deux cas. Les résultats sont indiqués par la figure 6.

Au début, l’intensité est sensiblement proportionnelle à la tension

PROPRIÉTÉS D'UN CARBONATE DE CALCIUM NATUREL (y) Jusqu'à 300 volts, puis la courbe s’incurve et, dès 600 volts, l'intensité

croit très rapidement avec la tension. Résultats conformes à ceux observés pour d’autres semi-conducteurs (1), (4).

s (HA) ;

150 300 450 600 750 300 Fig. 6.

Remarque. — Lorsque l'air est humide, la craie devient plus

hygroscopique et par suite plus conductrice ; il est difficile d'établir une relation nette entre les deux phénomènes car les variations de l’état hygroscopique de la craie doivent présenter un certain retard sur les variations de l’humidité atmosphérique.