Obiettivi formativi
<br />Il corso si propone di offrire agli studenti la possibilità di comprensione dei principi fisici di funzionamento dei dispositivi a semiconduttore che trovano impiego nella microelettronica e nell'optoelettronica, con cenni anche ai dispositivi quantistici e alle relative nanotecnologie di fabbricazione. <br /><br />Dopo un richiamo delle proprietà fondamentali dei semiconduttori il corso tratta in dettaglio le proprietà ottiche dall'interazione luce-materia ai fondamenti dei processi ottici che determinano le proprietà dei dispositivi per fotonica e optoelettronica. Le equazioni fondamentali per descrivere il funzionamento dei dispositivi elettronici sono introdotte partendo dalla descrizione della distribuzione di cariche libere sia in sistemi omogenei che disomogenei e sotto l'azione di perturbazioni esterne. <br />Milestones del corso sono: (i) le proprietà fisiche fondamentali dei semiconduttori in relazione ad alcune tecniche diagnostiche in grado di verificarne il loro controllo e alle relative tecnologie di fabbricazione e di processo, (ii) i principi fisici alla base del funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore oggi utilizzati nella micro e optoelettronica, (iii) la conoscenza delle possibilità di “adattare” le proprietà fisiche e le relative caratteristiche dei dispositivi con essi realizzati, al fine di ottenere dispositivi con particolari figure di merito.<br />
Prerequisiti
<br />Sono prerequisiti necessari almeno 12 CFU ottenuti dai seguenti corsi del I anno della LS in STMI :<br /><br /><br />Complementi di Fisica quantistica ( 4 CFU)<br /><br />Fondamenti chimico-fisici delle tecnologie dei materiali (4 CFU)<br /><br />Fisica dei materiali ( 4 CFU)<br /><br />Fisica dei solidi ( 4 CFU)<br /><br />Laboratorio di Fisica della Materia ( 6 CFU)<br />Il programma di massima, intenzionalmente prevede un numero ridondante di lezioni rispetto ai crediti assegnati. Questo permette di adattarne il contenuto in base agli interessi dello studente e ai prerequisiti già posseduti dal I anno o in via di acquisizione nel corso del II anno.<br />Prerequisiti addizionali consigliati (per la definizione di un curriculum orientato ai Materiali Semiconduttori e ottimali per lo svolgimento di una tesi di laurea specialistica nel campo):<br />si suggerisce allo studente di completare la scelta degli insegnamenti dell’area specialistica (18 CFU) con i seguenti corsi: <br /><br /><br />Fisica dei semiconduttori (5 CFU) <br /><br />Laboratorio di Fisica dei Semiconduttori (3 CFU)<br /><br />Tecnologie di crescita dei materiali per elettronica (4 CFU)<br /><br />
Contenuti dell'insegnamento
<br />I. Richiami delle proprietà fisiche fondamentali dei semiconduttori: (18 lezioni)*<br />1.Proprietà cristalline e bande di energia .<br />Strutture cristalline, legami chimici e bande di energia. Approssimazione di massa efficace e dinamica elettronica. Struttura a bande dei principali semiconduttori. Banda di energia proibita e sua dipendenza da perturbazioni esterne. Semiconduttori composti, cenni alle tecnologie di crescita epitassiale, “tailoring” delle proprietà fisiche e problemi di adattamento reticolare. Cenni alle strutture a dimensionalità ridotta e ingegneria delle bande. <br />2. Portatori in equilibrio termodinamico.<br />Elementi di distribuzioni statistiche, Distribuzione di Fermi-Dirac e approssimazione classica di Maxwell-Boltzmann. Densità degli stati. Statistica dei portatori in condizioni di equilibrio termodinamico: Semiconduttori intrinseci ed estrinseci. Legge di massa. Concentrazione di elettroni e lacune in equilibrio e loro variazione con la temperatura. Occupazione degli stati elettronici: effetti di congelamento, degenerazione, formazione di bande di impurezze. Cenni a livelli profondi e processi di compensazione di carica (semi-isolanti).<br />3. Processi di trasporto.<br />Cenni all’equazione di Boltzmann. Trasporto dei portatori di carica: Deriva dei portatori in campo elettrico. Conducibilità e mobilità. Meccanismi d’urto: dipendenza della mobilità dalla temperatura e dal livello di drogaggio (approssimazione del tempo di rilassamento), coefficiente di Hall. L’effetto Hall e sue applicazioni allo studio delle proprietà elettriche dei semiconduttori: Misure di conducibilità e di mobilità: aspetti sperimentali e metodologici. . Magnetoresistenza. Effetti ad alti campi magnetici: livelli di Landau ed oscillazioni SdH. Cenni all’effetto Hall quantistico<br /> (*) questa prima parte sarà ridotta a rapidi richiami (2-4 ore) considerandola come già acquisita da tutti gli studenti che abbiano seguito con profitto il corso di Fisica dei semiconduttori ( I periodo, Autunnale).<br />II parte: Proprietà ottiche fondamentali e processi ottici nei semiconduttori (12 lezioni):<br />1. Introduzione:<br />Interazione luce-materia: richiami storici. La spettroscopia ottica nei semiconduttori.<br />2. Il modello macroscopico <br />Le costanti ottiche. Relazioni tra n, k e a. Relazioni di dispersione. Riflessione, trasmissione, interferenza. Processi di assorbimento ottico nei semiconduttori.<br />3. Processi ottici<br />Transizioni ottiche e coefficiente di assorbimento: Modello microscopico. Teoria quantistica delle transizioni ottiche. Probabilità di transizione e coefficiente di assorbimento per transizioni banda-banda dirette e indirette. Altri tipi di processi di assorbimento ottico: eccitoni, impurezze, cariche libere, cenni ad ulteriori processi (intrabanda, ad alte energie). Effetti di deviazione dal comportamento ideale: effetto Burstein-Moss, effetti di non parabolicità delle bande, effetti del disordine (coda di Urbach). Effetti dovuti a perturbazioni esterne Cenni alle spettroscopia ottica modulative e ad alta energia (UPS, XPS). Elementi di spettroscopia ottica per lo studio di materiali semiconduttori: aspetti metodologici e sperimentali, Cenni alle transizioni ottiche in sistemi a dimensionalità ridotta. <br /> III parte: Elettroni e lacune in eccesso in semiconduttori omogenei (10 lezioni)<br /><br />1. Processi di generazione e ricombinazione<br />Generazione di portatori in eccesso rispetto all’equilibrio termodinamico: livelli di iniezione. Processi di Generazione e Ricombinazione. Allontanamento dall’equilibrio termodinamico e tempo di rilassamento del dielettrico. Processi di ricombinazione: banda-banda, Auger. Ricombinazione in stati elettronici intermedi, velocità di emissione e cattura, modello SRH e tempi di vita dei portatori. Processi di ricombinazione in stati superficiali, <br />2. Equazione di continuità<br />Diffusione dei portatori, lunghezza di diffusione e relazione di Einstein. Equazione di continuità. Diffusione ambipolare. Esempi di soluzione dell’equazione di continuità. Misure di vita media e lunghezza di diffusione dei portatori: aspetti sperimentali e metodologici. Fotoconducibilità. Luminescenza: aspetti sperimentali e metodologici.<br />IV parte: Semiconduttori Disomogenei all’equilibrio termodinamico (10 lezioni)<br />1. Introduzione.<br />Disomogeneità del livello di drogaggio e/o della struttura a bande nel volume. Approssimazione del quasi-livello di Fermi.<br />2. Effetti alla superficie<br />Superfici ideali, livelli di Tamm-Schokley. Superfici reali: il modello di Cowley-Sze. Il contatto metallo-semiconduttore. L’effetto Schottky e la barriera metallo-semiconduttore ideale. Il diodo a barriera Schottky. Barriera di Mott e contatti ohmici . <br />3. Effetti di volume<br />Semiconduttori non uniformemente drogati: la giunzione p-n. Teoria della giunzione in approssimazione di svuotamento, capacità della giunzione e polarizzazione diretta e inversa. Caratteristica J/V e deviazioni dall’idealità. Eterogiunzioni: discontinuità delle bande e stati all’interfaccia. Modelli per le correnti: Correnti di diffusione e generazione-ricombinazione. Cenni alle eterostrutture a dimensionalità ridotta a modulazione di drogaggio e/o composizione: superreticoli (SL) e strutture a pozzi quantici multipli (MQW).<br /> V parte: Dispositivi (16 lezioni):<br />1. Dispositivi Elettronici<br /> Il transistor bipolare a giunzione (BJT): amplificazione e guadagno di corrente. Cenni al transistor bipolare a eterogiunzione (HBT): Il transistor a giunzione ad effetto di campo (JFET). Strutture Metallo-Ossiodo-Semiconduttore (MOS): il condensatore MOS. Il transistor MOS a effetto di campo (MOSFET). Cenni ai dispositivi per memorie ad accoppiamento di carica (CCD). Cenni alle tecnologie per la fabbricazione di circuiti integrati monolitici.<br />Dispositivi optoelettronici<br />Diodi emettitori di luce (LED). Laser a semiconduttore: principi fisici e modi operativi. Cenni alle struttura e proprietà dei principali tipi di Laser (a doppia eterostruttura, a feedback distribuito, a quantum wells, a materiali drogati con terre rare, ecc.) . Fotorivelatori. Cenni alla struttura e alle caratteristiche dei principali tipi di fotorivelatori. (resistenza, giunzione, valanga) Scelta dei materiali e delle strutture per l’accordabilità in particolari regioni dello spettro. Dispositivi Fotovoltaici: Effetto fotovoltaico: principi fisici e applicazioni alla conversione dell’energia solare. <br /> <br />
Bibliografia
<br />1) C. Ghezzi “appunti delle lezioni di Fisica dei semiconduttori”<br /><br />2) M.Wolf, N. Holonyak, G.E. Stillman ““Physical properties of semiconductors” Prentice Hall International Editions<br /><br />3) J. I. Pankove “Optical processes in semiconductors” Dover publ.inc.<br /><br />4) M.S. Tyagi “Semiconductor materials and devices” John Wiley & sons<br /><br />5) S.Sze “Introduction to Semiconductor devices: Physcs and technology” John Wiley & sons<br /><br />6) R S..Muller, T.I. Kamins “Device electronics for integrated circuits“ John Wiley & sons<br /><br />7) P.Bhattacharya “Semiconductor optoelectronic devices” Prentice Hall Int. Editino<br /> <br />
Metodi didattici
<br />Tenuto conto del suo carattere specialistico, l'insegnamento, dedicato a piccoli numeri di studenti che scelgano di specializzarsi nell'area dei MATERIALI SEMICONDUTTORI, è condotto con approccio di tipo “tutoriale”. Esso si svolge attraverso una presentazione generale dei var aspetti teorici-fenomenologici e sperimentali e in una discussione successiva, una volta che lo studente ha individualmente approfondito il materiale introdotto.. L'insegnamento teorico è corredato da discussioni in laboratorio focalizzate sulle tecnologie di preparazione e di processo e sugli esperimenti relativi alle indagini delle proprietà fisiche di materiali e dispositivi. <br />La valutazione finale è il risultato della serie di colloqui volti a verificare il livello di apprendimento e gli obiettivi formativi fondamentali raggiunti dallo studente.<br />
