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Materiali per l'elettronica con laboratorio

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Materials for electronics with laboratory

Oggetto:

Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN1256
Docenti
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Prof. Marco Truccato (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali-Indirizzo Industriale
Anno
3° anno
Periodo didattico
Annuale
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
12
SSD dell'attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Frequenza alle lezioni facoltativa. Frequenza al laboratorio obbligatoria
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
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.
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Sommario del corso

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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.
  • Sapersi orientare all’interno di una situazione fisica relativa alle proprietà elettriche, termiche e ottiche nei solidi individuando le osservabili fisiche importanti e il loro ordine di grandezza.
  • Saper individuare le principali caratteristiche fisiche dei materiali semiconduttori e le relative tecniche sperimentali per la loro caratterizzazione.
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Risultati dell'apprendimento attesi

  • Nozioni fondamentali per la definizione delle principali caratteristiche ottiche/elettroniche e termiche dei materiali solidi.
  • Nozioni fondamentali per la definizione delle prestazioni dei principali dispositivi elettronici e sensori a semiconduttore.
  • Nozioni fondamentali per la comprensione dei fenomeni fisici alla base di alcune tecniche delle più diffuse tecniche sperimentali per la caratterizzazione di materiali e dispositivi a stato solido.
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Modalità di verifica dell'apprendimento


VALUTAZIONE DELLE RELAZIONI DI LABORATORIO

Esame scritto e orale sugli argomenti trattati nelle lezioni frontali e sulle attività svolte in laboratorio e descritte nelle relative relazioni.

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Programma

  • Onde nei mezzi dispersivi e significato della relazione di dispersione.
  • Reticoli cristallini e influenza delle loro proprietà di simmetria sulle 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.
  • 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. Equivalenza della 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.

PROGRAMMA DETTAGLIATO

 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 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.
  • Lattice vibrations. Monoatomic linear chain. Systems with a finite number of degrees of freedom and normal mode decomposition. Hints at the quantization of vibrations and the idea of phonons. Biatomic chain. Anharmonic terms and phonon coupling: phonon momentum. Neutron scattering.
  • Lattice specific heat in the Debye's approximation. Anelastic phenomena. Lattice heat conductivity.
  • 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. Equivalenzce of the 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.

DETAILED PROGRAM

 Practical classes -  2 CFU:

The activities in the laboratory regards the optoelectronic characterization of semiconductor materials and devices.

  • Transmittance and photoconductivity measurements for the determination of the energy gap of a semiconductor.
  • Electronic characterization of homogeneous and/or heterogeneous semiconductors.
  • Electrical and optical characterization of light emitting diodes.


 

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Testi consigliati e bibliografia

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 

10 CFU (80 h) di lezioni frontali con esercitazioni in aula.

2 CFU (32 h) di attività in laboratorio e lezioni propedeutiche

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: 18/05/2015 10:54
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