- Oggetto:
- Oggetto:
Materiali per l'elettronica con laboratorio
- Oggetto:
Anno accademico 2011/2012
- Codice dell'attività didattica
- MFN1256
- Corso di studi
- Scienza e Tecnoogia dei Materiali-Indirizzo Industriale
- Anno
- 3° anno
- Tipologia
- Affine o integrativo
- Crediti/Valenza
- 12
- SSD dell'attività didattica
- FIS/03 - fisica della materia
- Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
- Sapere descrivere il moto elettronico all’interno dei solidi dal punto di vista classico, semiclassico e quantistico.
- Padroneggiare le implicazioni della struttura periodica spaziale nei confronti delle onde, sia elettromagnetiche sia elettroniche.
- Saper individuare le principali caratteristiche fisiche dei materiali semiconduttori e le relative tecniche sperimentali per la loro caratterizzazione.
- Sapersi orientare all’interno di una situazione fisica relativa alle proprietà elettriche e termiche nei solidi individuando le osservabili fisiche importanti e il loro ordine di grandezza.
- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
- Conoscere il concetto di banda, di gap energetica e di superficie di Fermi.
- Conoscere il concetto di fonone.
- Conoscere le nozioni fondamentali di fisica dei semiconduttori ed i principi di funzionamento dei dispositivi elettronici elementari.
- Conoscere alcune tecniche fondamentali per la caratterizzazione ottica ed elettronica dei materiali.
- Oggetto:
Programma
- Onde nei mezzi dispersivi e significato della relazione di dispersione.
- Reticoli cristallini e influenza delle loro proprietà di simmetria sulla simmetria di grandezze fisiche. Tecniche sperimentali per i raggi X. Teoria di Laue della diffrazione Reticolo reciproco e sue proprietà. Equivalenza tra teoria di Bragg e teoria di Laue..
- Approssimazione di mezzo continuo: costanti elastiche e propagazione di onde nei solidi .
- Vibrazioni reticolari. Catena lineare monoatomica. Sistemi a numero finito di gradi di libertà e decomposizione in modi normali. Cenni alla quantizzazione delle vibrazioni e concetto di fonone. Catena biatomica. Termini anarmonici e accoppiamento tra fononi: momento del fonone. Scattering neutronico
- Calcolo dei calori specifici reticolari in approssimazione di Debye. Fenomeni anelastici. Conduttività termica del reticolo.
- Modello ad elettroni liberi per i metalli. Livello di Fermi in varie dimensionalità. Proprietà di conduzione elettrica e termica per il gas di Fermi. Collisioni con fononi e legge di Wiedermann-Franz. Effetto termoelettrico.
- Oscillazioni di plasma e lunghezza di schermo elettrostatico. Effetti della statistica di Fermi-Dirac per la depressione delle sezione d’urto elettrone-elettrone. Effetto Hall e magnetoresistenza.
- Elettroni in un reticolo periodico. Teorema di Bloch e sue implicazioni. Bande di energia. Modello di Kronig-Penney. Modello ad elettroni quasi liberi in 1D e funzione d’onda approssimata vicino al bordo zona. Superfici di Fermi in 2D e in 3D.
- Modello semiclassico per la dinamica elettronica nelle bande. Descrizione della conduzione per mezzo di elettroni o di lacune. Tensore massa efficace. Cenni alle oscillazioni di Bloch.
- Elementi di Fisica dei semiconduttori: teoria delle bande, elettroni e lacune nei semiconduttori.
- Drogaggio; metodi di sintesi di semiconduttori omogenei intrinseci e drogati
- Statistica dei portatori di carica. Significato fisico dei diagrammi a bande.
- Semiconduttori in condizioni di non equilibrio
- Trasporto di elettroni e lacune. Conducibilità, resistività, legge di Ohm. Fotoconducibilità, sensori di luce sensori di campo magnetico.
- Giunzioni p-n: Elettrostatica, caratteristiche capacità/tensione e corrente/tensione teoria del diodo ideale e reale.
- Diodi emettitori di luce. Principi di funzionamento di transistori bipolare a giunzione e transistori ad effetto di campo.
- Elementi di tecnologia dei dispositivi a semiconduttore.
Le attività di laboratorio verteranno sulla caratterizzazione opto-elettronica di materiali e dispositivi a semiconduttore:
- misura dello spessore ottico di film sottili di a-Si:H mediante interferometria in luce bianca
- caratterizzazione elettronica di semiconduttori omogenei e/o eterogenei.
- caratterizzazione opto-elettronica di LED
- misura della gap di un materiale semiconduttore omogeneo mediante misure di trasmittanza e fotocorrente
- Waves in dispersive media and the meaning of the dispersion relation.
- Crystal lattices and the influence of their symmetry properties on the symmetry of physical quantities. Experimental techniques for X-rays. Laue’s theory of the X-ray diffraction. Reciprocal lattice and its properties. Equivalence between Bragg and Laue theories.
- The free electron model for metals. Fermi level. The electrical and thermal properties of the Fermi gas. Scattering by phonons and the Wiedermann-Franz law. Thermoelectric effect.
- Plasma oscillations and electrostatic screening length. The effects of the Fermi-Dirac distribution function on the reduction of the electron-electron scattering cross section. Hall effect and magnetoresistance.
- Electrons in a periodical lattice. Bloch’s theorem and its implications. Energy bands. The Kronig-Penney model. Nearly free electron model in 1D and approximated wave function near the zone boundary. Fermi surfaces in 2D and in 3D.
- Semiclassical model for the electron dynamics in the energy bands. Description of the conduction process by means of electrons or holes. The effective mass tensor. Hints at the Bloch’s oscillations.
- Elements of Semiconductor Physics: band theory, electrons and holes in semiconducting materials.
- Doping; synthesis methods of homogeneous intrinsic and doped semiconductor
- Charge carrier statistical distribution law. Physical meaning of the band diagrams.
- Semiconductors in non-equilibrium conditions.
- Transport of electrons and holes. Conductivity, resistivity and Ohm’s law. Photoconductivity, light and magnetic field sensors.
- P-n junctions: Electrostatics, capacitance/voltage and current/voltage characteristics, theory of the ideal and real diode.
- Light emitting diodes. Principles of BJT, JFET and FET.
- Elements of technology for microelectronics.
Practical classes - 2 CFU:
The activities in the laboratory concern the optoelectronic characterization of semiconductor materials devices and
- Transmittance and photoconductivity measurements for the determination of the energy gap of a semiconductor.
- Electrical and optical characterization of light emitting diodes.
- Measurement of the optical thickness of an a-Si:H thin film by means of the white light interferometry technique.
- Electronic characterization of homogeneous and/or heterogeneous semiconductors.
Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
C. Kittel, Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, Casa editrice Ambrosiana, 2008
N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics, Harcourt College Publishers, 1976
S.M. Sze, “Semiconductor Devices”, 2nd edition, John Wiley and Sons, 2002
A.S.Grove: “Fisica e Tecnologia dei dispositivi a semiconduttore”, Franco Angeli Ed., Milano 1993
M.Guzzi, Principi di Fisica dei Semiconduttori, Hoepli, 2004
- Oggetto:
Note
Tipologia Insegnamento
Lezioni frontali con esercitazioni in aula- attività di laboratorio
Modalità dell'esame
Esame scritto e orale sugli argomenti trattati nelle lezioni frontali e sulle attività svolte in laboratorio e descritte nelle relative relazioni
Propedeuticità
Gli argomenti trattati nei corsi di Fisica Generale 1 con laboratorio, Fisica Generale 2 con laboratorio, Metodologie di caratterizzazione dei materiali con laboratorio, Chimica Fisica 2.
Frequenza
La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.
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