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Oggetto:
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Materiali per l'elettronica con laboratorio (attivo dall'a.a. 2013/2014)

Oggetto:

Anno accademico 2012/2013

Codice dell'attività didattica
MFN1256
Corso di studi
Scienza e Tecnologia 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.
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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



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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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Ultimo aggiornamento: 29/05/2013 16:32