Obiettivi formativi
Competenze.
Alla fine del corso, ci si aspetta che lo studente abbia 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 metodologie di indagine delle proprietà dei semiconduttori e delle più importanti tecnologie di processo per la preparazione di dispositivi di base; c) una introduzione alle strutture fondamentali e ai relativi problemi fisici e tecnologici da risolvere per la realizzazione di un dispositivo.
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 dimostrare di aver focalizzato gli aspetti peculiari della fisica dei semiconduttori ed essere in grado di approfondire in modo autonomo e critico 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 al I anno del Corso di Laurea Magistrale.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si propone di fornire una buona conoscenza di base dei principi e delle leggi fisiche, dei modelli interpretativi dei fenomeni e delle principali tecniche di indagine sperimentale che riguardano i semiconduttori inorganici, in particolare i semiconduttori a coordinazione tetraedrica ed i semiconduttori ad ampia banda proibita, anche non cubici. Saranno discusse le proprietà fisiche di questi materiali in relazione agli stati elettronici, mettendo in evidenza aspetti fenomenologici, per favorire 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. Saranno delineati gli ambiti verso cui prevalentemente si orienta oggi la ricerca sui semiconduttori.
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 con tecniche di diffrazione. • 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 al metodo del legame debole, delle onde piane ortogonalizzate e al metodo del legame forte. 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. Livelli profondi e livello di occupazione. • STATISTICA DEI PORTATORI DI CARICA IN CONDIZIONI DI EQUILIBRIOTERMODINAMICO. 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’equazionedi Boltzmann. Conducibilità elettrica e legge di Ohm. Localizzazione e trasporto fra stati localizzati. 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 TERMODINANICO. Livelli di iniezione di portatori in eccesso. Processi di generazione e ricombinazione di portatori. Vita media dei portatori. Diffusività e lunghezza di diffusione. Relazioni di Einstein. Equazione di continuità ed equazioni ambi-polari di diffusione. 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. Ingegneria delle bande. Elementi di tecnologie di crescita massive ed epitassiali. Sistemi a ridotta dimensionalità, cenni alle principali proprietà e applicazioni. • DISPOSITIVI A GIUNZIONE. Transistor BJT, MOSFET a canale aperto e chiuso, memorie a gate flottante. Rivelatori, LED, LASER (cenno). Celle solari. • LE FRONTIERE DELLA FISICA DEI SEMICONDUTTORI
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 “Optical 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 del docente, con utilizzo di diapositive/video che saranno messi a disposizione degli studenti. Le lezioni potranno essere erogate sia in foma di video pre-registrati, oppure lezioni frontali in presenza oppure in streaming in relazione alla evoluzione della pandemia da Sars-Cov2, tenendo conto anche delle preferenze manifestate dagli studenti iscritti al corso. Saranno stimolate discussioni durante le lezioni (o gli incontri a distanza) 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. La valutazione finale dipenderà per il 50% dalla comprensione globale degli argomenti e capacità di fare collegamenti, per il 30% dalla qualità dell'approfondimento scelto e per il 20% dalla chiarezza espositiva. In relazione alla evoluzione della pandemia da Sars-Cov2, le prove d'esame potranno essere svolte in presenza oppure a distanza tramite la piattaforma Microsoft Teams.
Altre informazioni
Se di interesse per gli studenti, potranno essere organizzati un paio di seminari integrativi tenuti da esperti nel campo delle tecniche sperimentali di microscopia elettronica e diffrattometria-X, o nelle tecnologie di processo dei dispositivi. 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.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Questo insegnamento concorre alla realizzazione degli obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile
