Pompes à électrons à base de nanofils de silicium pour la métrologie électrique

Electron pumps made with silicon nanowire for electric metrology

• Auteur / Autrice : Thibaut Charron
• Direction : Hugues Pothier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Nanofils

Effet tunnel

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la redéfinition des unités du système international d'unités à partir de constantes fondamentales. L’unité de courant électrique, l'ampère, serait ainsi redéfinie à partir de la charge de l'électron et de la seconde. Pour mettre en pratique cette définition, la communauté des métrologues travaille à la mise au point d’un étalon quantique de courant délivrant un courant d’une centaine de picoampère mesuré avec une incertitude de 10^{-7}. Cette thèse est consacrée à la mesure de pompes à électron fabriquées à partir de nano-fils de silicium au CEA-LETI. Ces dispositifs, qui fonctionnent sur le principe du blocage de Coulomb et de l'effet tunnel à un électron, sont constitués de deux barrières tunnel dont la hauteur peut être contrôlée par l'effet de champ de deux grilles. L'application de signaux alternatifs sur ces grilles à une fréquence f permet de générer un courant quantifié : I=ef. La mesure de ce courant est faite à l’aide d’un comparateur cryogénique de courant (CCC) permettant d'amplifier et de mesurer avec exactitude le faible courant généré par les pompes à électron. Les meilleurs résultats obtenus durant ces trois années sur des pompes à électron en silicium ont permis d'aboutir à la mesure pour f = 50 MHz d'un courant stable sur une durée de 14 heures avec une incertitude relative de type A de quelques ppm. Ces mesures ont été réalisées avec un CCC dans un mode de contre-réaction simplifié ne permettant que des mesures relatives du courant généré. A la fin de cette thèse, nous avons commencé à modifier le système de mesure pour réaliser des mesures absolues du courant généré par une pompe à électrons.

The aim of this thesis is to review current international systems of measuring electrical current based on fundamental precepts. The electrical current's unit, the ampere, will be redefined using the second and the electron's charge. As such, the metrologist community will require a standard unit in which to measure current to within a few thousand picoampere with an uncertainty of 10^{-7}. The research in line with this thesis involved measuring current using electron pumps made with a silicon nano-wire at CEA-LETI. These devices, which function along the principle of the Coulomb Blockade and Effect Tunnel, are composed of two tunnels containing barriers, the heights of which can be determined by the field effect of the two gates. Applying alternative signals to the two gates with the frequency f allows us to generate a quantified current of I=ef. The measurement of this current is made with a Cryogenic Current Comparator (CCC) which enables us to amplify the weak current generated by the electron pumps and record with accuracy. Over the course of three years, the most reliable results were generated with silicon electron pumps which are able to measure a stable current for 14 hours at 50MHz with a relative type A uncertainty of a few ppm. These measurements were obtained with a CCC using a simplified feedback mode only allowing for relative measurements of the generated current. Towards the conclusion of this research, we began to modify the system of measurements to enable us to take absolute measurements of the current generated by the electron pumps.