Obiettivi formativi
Competenze
Alla fine del corso, lo studente dovrebbe aver acquisito una discreta abilità nelle seguenti azioni:
a) buona sensibilità nell'applicazione dei principi fisici fondamentali dei solidi in un approccio modellistico-sperimentale idoneo per studiare le proprietà più importanti di un semiconduttore
b) una sufficiente conoscenza delle principali caratteristiche di alcune metodologie fondamentali di indagine e delle principali tecnologie di processo
c) una introduzione alle strutture fondamentali e ai relativi problemi fisici e tecnologici da risolvere per la realizzazione di un dispositivo.
d) una introduzione alla progettazione e realizzazione di sistemi a bassa dimensionalità con proprietà ad hoc per particolari applicazioni (nanostrutture e relative nanotecnologie).
Conoscenze e capacità di comprendere
Alla fine del percorso lo studente dovrà aver acquisito una conoscenza organica degli argomenti trattati, mostrando capacità di collegare fra loro vari aspetti della fisica dei materiali semiconduttori.
Capacità comunicative
Lo studente dovrà possedere l’abilità di esporre i concetti acquisiti in maniera chiara e organica.
Autonomia di giudizio
Lo studente dovrà essere in grado di approfondire in modo autonomo un tema scelto fra quelli trattati nel corso.
Prerequisiti
Le conoscenze di Matematica, Fisica Classica, Meccanica Statistica, Fisica della Materia e Meccanica quantistica che sono state acquisite durante il corso di laurea triennale, sono sufficienti per seguire con profitto il corso, anche al I anno del Corso di Laurea Magistrale.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si propone di fornire una buona conoscenza di base dei principi fisici, delle leggi e dei modelli interpretativi dei fenomeni che caratterizzano i materiali per elettronica con particolare riguardo ai semiconduttori. Saranno messi in evidenza gli aspetti fenomenologici determinati dalle proprietà fisiche dei semiconduttori esemplificandole nelle strutture di base per permettere la comprensione del funzionamento dei principali dispositivi microelettronici. Particolare enfasi sarà riservata alla relazione tra struttura-proprietà-applicazioni per la sua influenza sulla capacità di progettare e modellizzare soluzioni tecnologicamente innovative.
Programma esteso
Programma
1. INTRODUZIONE: I materiali per l'elettronica.
2. PROPRIETA’ FISICHE FONDAMENTALI:
• STRUTTURE PERIODICHE. La struttura cristallina, il reticolo spaziale. Celle primitive e celle convenzionali, operazioni di simmetria del reticolo di Bravais. L’unità di base. Strutture semplici e composte. Operazioni di simmetria del cristallo, alcuni esempi di strutture. Il reticolo reciproco: definizione. Vettori del reticolo reciproco e piani reticolari, alcuni esempi. Analisi delle strutture cristalline: spettro delle onde e.m., interazione con la materia, raggi-X – elettroni- neutroni. La fisica dei raggi-X. Diffrazione di onde da strutture periodiche. La diffusione elastica dei raggi X.
• STATI ELETTRONICI NEI CRISTALLI. Elettroni di valenza e di core. Approssimazione ad un solo elettrone. Conseguenze dell’invarianza traslazionale. Il caso limite dell'elettrone libero. Teorema di Bloch e zone di Brillouin. Relazioni di dispersione. Condizioni al contorno e densità degli stati. L'energia di Fermi. Aspetti elementari della struttura a bande. Diffrazione alla Bragg ed intervalli di energie proibite. Classificazione dei solidi.
• STRUTTURA A BANDE DEI SEMICONDUTTORI A COORDINAZIONE TETRAEDRICA. Cenni alla determinazione della struttura a bande. Cenni alle strutture a bande in 3D nei semiconduttori a coordinazione tetraedrica.
• DINAMICA DI ELETTRONI E LACUNE. Lo schema semiclassico. L’elettrone come quasi particella classica. Il tensore massa efficace. Il concetto di lacuna.
• IMPUREZZE IDROGENOIDI (DROGAGGIO). Descrizione qualitativa: donori e accettori. Livelli idrogenoidi nell’approssimazione di massa efficace. Metodi sperimentali. Semiconduttori drogati. Semi-isolanti e tecniche di compensazione.
• STATISTICA DEI PORTATORI DI CARICA IN CONDIZIONI DI EQUILIBRIO TERMODINAMICO. Stato di carica delle impurezze idrogenoidi, statistica dei portatori in equilibrio termodinamico. Densità dei portatori ed energia di Fermi. Gas classico e gas degenere. Semiconduttore intrinseco.
3. PROPRIETA’ DI TRASPORTO E MAGNETOTRASPORTO. Oscillazioni di Bloch e collisioni. Approssimazione del tempo di rilassamento. Formalismo dell’equazione di Boltzmann. Conducibilità elettrica e legge di Ohm. Gas degenere e gas classico. Introduzione al magnetotrasporto. Carica in campo magnetico. Risonanza ciclotronica. Limiti di validità dell'approccio semiclassico. I tensori magneto-resistivo e magneto-conduttivo. Effetto Hall. Metodi sperimentali. Coefficiente di Hall per portatori non-monocinetici. Cenni alla magnetoresistenza fisica, conduzione mista, magnetoresistenza geometrica.
4. PROPRIETA’ OTTICHE. Costanti ottiche e modello macroscopico. Trasmissione, assorbimento e riflessione. Interferenza da strati sottili. Processi di assorbimento fondamentali e coefficiente di assorbimento per transizioni dirette e indirette. Cenno alla spettroscopia ottica. Metodi sperimentali.
5. PORTATORI DI CARICA IN CONDIZIONI DI NON EQUILIBRIO TERNODINANICO. Livelli di iniezione di portatori in eccesso. Processi di generazione e ricombinazione. Vita media dei portatori. Diffusività e lunghezza di diffusione. Relazioni di Einstein. Equazione di continuità ed equazioni ambi-polari di diffusione. Esempi.
6. SEMICONDUTTORI INOMOGENEI E DISPOSITIVI:
• GIUNZIONE METALLO-SEMICONDUTTORE. Contatti ohmici, rettificanti, iniettanti. Diodo Schottky. Strutture MOS.
• LA GIUNZIONE P/N. La giunzione p/n ideale. Configurazione di equilibrio. Correnti stazionarie. Capacità geometrica della giunzione. Cenni alla deviazione dalla idealità. Breakdown della giunzione. Generazione e ricombinazione nella regione di carica spaziale. Diodo Zener. Diodo tunnel.
• ETEROGIUNZIONI. Eterogiunzione p/n. Eterostrutture isotipo ed eterostrutture intrinseche. Eterostrutture epitassiali e adattamento del reticolo: controllo e conseguenze del disadattamento reticolare.
• DISPOSITIVI A GIUNZIONE. Rivelatori, LED, Celle solari.
7. NANOTECNOLOGIE E NANOSTRUTTURE. Ingegneria delle bande. Elementi di tecnologie di crescita massive ed epitassiali. Sistemi a ridotta dimensionalità, cenni alle principali proprietà e applicazioni.
Bibliografia
Carlo Ghezzi: "Introduzione alla Fisica dei Semiconduttori"
Per l'approfondimento di particolari temi:
1) M.Wolf, N. Holonyak, G.E. Stillman “Physical properties of semiconductors” Prentice Hall International Editions
2) J. I. Pankove “Optica processes in semiconductors” Dover Publ. Inc.
3) M. S. Tyagi “Semiconductor materials and devices” John Wiley & Sons
4) S. Sze“Introduction to Semiconductor devices: Physcs and technology” John Wiley & Sons
5) R. S. Muller, T. I. Kamins “Device electronics for integrated circuits“ John Wiley & Sons
6) P. Bhattacharya “Semiconductor optoelectronic devices” Prentice Hall International Editions
Metodi didattici
Il corso sarà sviluppato attraverso lezioni frontali del docente, con utilizzo di diapositive che saranno messe a disposizione degli studenti. Saranno stimolate discussioni durante le lezioni sui temi trattati.
Modalità verifica apprendimento
L'esame consisterà in una prova orale in cui è richiesto l'approfondimento di un tema a scelta fra quelli trattati nel corso,
integrato da un colloquio sugli aspetti più generali del programma svolto.
Altre informazioni
Se di interesse per gli studenti, potranno essere organizzati un paio di seminari integrativi tenuti da esperti nel campo dele tecniche sperimentali di microscopia elettronica e diffrattometria-X.
Gli studenti interessati possono integrare la parte di teoria con una breve attività sperimentale con esercitazioni sulle tecniche di caratterizzazioni elettriche e ottiche dei semiconduttori.
