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Oggetto:

Materiali per l'elettronica con laboratorio

Oggetto:

Materials for electronics with laboratory

Oggetto:

Anno accademico 2015/2016

Codice dell'attività didattica
MFN1256/B
Docente
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Insegnamento integrato
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Scienza e Tecnologia dei Materiali-Indirizzo Industriale
Anno
3° anno
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
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
Orale e relazione laboratorio
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Saper individuare le principali caratteristiche fisiche dei materiali semiconduttori e le relative tecniche sperimentali per la loro caratterizzazione.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione:

  • Conoscenza adeguata delle 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 semiconduttore.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione:

  • capacità di applicare la conoscenza dei modelli fondamentali della Fisica dei Semiconduttori per comprendere le principali caratteristiche dei dispositivi elettronici e sensori a semiconduttore.
  • capacità di effettuare misure di laboratorio con l'utilizzo di strumentazione moderna seguendo un adeguato protocollo sperimentale volto alla caratterizzazione dei materiali per l'elettronica.
  • capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione statistica;
  • capacità di redigere un resoconto scientifico in modo chiaro utilizzando una notazione scientifica corretta.

Knowledge and understanding:

  • knowledge of the basic concepts regarding the properties of materials and basic semiconductor devices
  • understanding of the functionalities of laboratory equipment and of relevant experimental techniques for the electronic characterization of materials and basic devices.

Applying knowledge and understanding:

  • ability to understand and manage fundamental physical models of semiconductor physics to interpret the physical properties of semiconductor materials and devices.
  • ability to evaluate the order of magnitude of the physical observables, to perform basic calculations and to solve simple problems relevant the properties of materials;
  • ability to take experimental measurements, using modern instrumentation and adopting a suitable experimental protocol to characterize materials for electronics;
  • ability to interpret the experimental data using a correct statistical data analysis;
  • ability to write a clear scientific report, using correct scientific terminology
Oggetto:

Modalità di insegnamento

4.5 CFU (36 h) di lezioni frontali con esercitazioni in aula.

1.5 CFU (24 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.

4.5 CFU  (36 h) lectures with classroom exercises

1.5 CFU  (24 h) laboratory activities

The participation to the frontal lectures is not compulsory.

The participation to the ithe laboratory is  mandatory for at least 70% of the time devoted to laboratory activities

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Oggetto:

Attività di supporto

Seminari Tematici:

  • Dott. Matteo Gentile: "Dal lingotto di silicio al diodo"
Oggetto:

Programma

  • 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:

  • caratterizzazione mediante effetto Hall di campioni  semiconduttori
  • 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

  • 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 regard 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.

 

   

References

Topics

Lesson I
08 March 2016
Aula Diagonale
h. 14.00-16.00
[1] Chapter 7 Introduction to the nearly Free Electron Model
Lesson II
10 March 2016
Room 19
h. 11.00-13.00
[1] Chapter 7 Wave equation of electron in a periodic potential; approximate solution at a zone boundary; number of orbitals in a band conduction, metals, semiconductors
Lesson III
11 March 2016
Room 19
h. 11.00-13.00
[1] Chapter 8: first section
[2] Chapter 2
Introduction to semiconductor physics; semiconductor materials: Si, GaAs Direct and indirect band gap semiconductor Valence and Conduction Band; the energy-momentum diagram; Effective mass,
Lesson IV
14 March 2016
Room 19
h. 11.00-13.00
[2] Chapter 2 intrinsic carrier concentration; density of state; the action law
Lesson V
15 March 2016
Aula Diagonale
h. 14.00-16.00

[2] Chapter 2
Donors and Acceptors; non degenerate semiconductors; charge neutrality
Lesson VI
16 March 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter 3
Band diagrams; transport phenomena: drift. Carrier Mobility. Conductivity, Resistivity, Ohm law.
Lesson VII
17 March 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter 3
Carrier Diffusion; Einstein Relation; Current density equations. Quasi fermi levels.
Lesson VIII
18 March 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter 3

Generation recombination processes. Direct recombination.

Lesson IX
21 March 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter 3
 Indirect recombination and the Shockley-Reed-Hall mode
Lesson X
22 March 2016
Aula 19
h. 14.00-16.00

[2] Chapter 3
 The continuity equation

Steady state injection from one side

Lesson XI
23 March 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter 3
 Minority carriers at the surface

The Haynes-Shockley experiment

Lesson XII
30 March 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter4
 p-n junction
Lesson XIII
31 March 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter 4
Thermal equilibrium conditions
Lesson XIV
01 April 2016
Aula 19
h. 09.00-11.00

[2] Chapter 4
 Depletion region: abrupt junction

Depletion capacitance; capacitance-Voltage characteristics

Evaluation of impurity distribution

Lesson XV
04 April 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter 4
 Current voltage characteristics; Ideal characteristics
Lesson XVI
07 April 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

[2] Chapter 4

 Non ideal characteristics: generation-recombination (hints)

Introduction to laboratory activities:

-       Diode electrical characterization

Lesson XVII
08 April 2016
Aula 19
h. 11.00-13.00

Notes
 Introduction to laboratory activities:

-       Light Emitting Diodes

-       The Hall effect : notes for the laboratory activities

Calendar and  Organization

 Notes:

Hall Effect

Measurement of the gap of a semiconductor

Electrical characterization of diodes and LEDs


 

FINAL REPORT:


FINAL REPORTS HAVE TO BE DELIVERED IN pdf (or Microsoft WORD) FORMAT and

SUBMITTED TO THE TEACHER BY E-MAIL BY  THE FOLLOWING DATES

Groups 1-8:  Thursday, 5 may 2016

Groups 9-16:  Friday, 13 may 2016

 

Discussion of the final report is scheduled according to the following calendar:

 Tuesday, 10 May 2016   Wednesday, 18 May 2016   
9.00-9.30
Group 1
9.00-9.30
Group 9
9.30-10.00
Group 2
9.30-10.00
Group 10
10.00-10.30
Group 3
10.00-10.30
Group 11
10.30-11.00
Group 4
10.30-11.00
Group 12
11.00-11.30
Group 5
14.00-14.30
Group 13
11.30-12.00
Group 6
14.30-15.00
Group 14
12.00-12.30
Group 7
15.00-15.30
Group 15
12.30-13.00
Group 8
15.30-16.00
Group 16

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

[1]  Introduzione alla Fisica dello Stato Solido 
Autore: Charles Kittel
Casa editrice: Casa Editrice Ambrosiana
ISBN:  978-88-08-18362-0
Disponibile presso la "Piccola Biblioteca di via Quarello"

[2]  Dispositivi a semiconduttore
Autore: S.M. Sze
Casa editrice: Hoepli
Disponibile presso la "Piccola Biblioteca di via Quarello"

oppure l'edizione inglese:

[2]  Semiconductor Devices
Autore: S.M. Sze
Edizione: 2002
Casa editrice: John Wiley & Sons
ISBN: 0471333727



 [3]  Principi di fisica dei semiconduttori 
Autore: Mario GuzziEdizione: Milano 2004
Casa editrice: Hoepli
ISBN: 8820333813
Url: http://unito-opac.cineca.it/SebinaOpac/Opac?action=search&Isbn=8820333813

[3]  Fisica e tecnologia dei dispositivi a semiconduttore edizione italiana ampliata a cura di Paolo Antognetti. 
Autore: Andrew S. Grove
Edizione: 4a edizione
Casa editrice: Franco Angeli 
ISBN: 8820402531

 



Oggetto:
Ultimo aggiornamento: 09/05/2016 08:48