Fisica dei semiconduttori

A.A. 2019/2020
Insegnamento per
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/03
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il corso fornisce una comprensione microscopica delle proprietà fondamentali della fisica dei semiconduttori e degli aspetti tecnologicico-applicativi ad essa legati. Il corso sarà focalizzato sui seguenti argomenti:
1. Comprensione delle proprietà elettroniche, vibrazionali, ottiche e magnetiche dei semiconduttori
2. Difetti (droganti e profondi)
3. Trasporto in semiconduttori 3D
4. Proprietà elettroniche e di trasporto in nanostrutture 2D, 1D, 0D
5. Fisica delle eterostrutture e delle giunzioni: concetti di base per la comprensione della fisica dei dispositivi nanoelettronici

Struttura insegnamento e programma

Edizione attiva
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Programma
1. Introduzione ai metodi di crescita dei semiconduttori(2)
Tecniche MOCVD, MBE, ALD.
2. La struttura cristallina (2)
Reticoli semplici; strutture cristalline; reticoli di Bravais; gruppi spaziali e puntuali; reticolo reciproco; indici di Miller.
3. Bande di energia (6)
Stati di Bloch; modello di reticolo vuoto; modello a elettroni quasi liberi; modello a elettroni strettamente legati (tight binding); pseudo-potenziale, approssimazione k p; bande di valenza e legami; struttura delle bande di energia; massa effettiva e sua determinazione sperimentale.
4. Fononi e proprietà termiche (4)
Curve di dispersione; modelli teorici; tecniche sperimentali;
5. Difetti reticolari: proprietà strutturali, elettroniche e vibrazionali (4)
Difetti puntuali; droganti; difetti intrinseci; impurezze; complessi. Difetti "shallow": teoria della massa efficace. Difetti "deep": funzioni di Green. Cenni ai difetti estesi: dislocazioni, difetti planari. Tecniche sperimentali per lo studio dei difetti.
6. Distribuzioni in equilibrio (4)
Statistica; termodinamica; densità di stati; distribuzione di buche ed elettroni; semiconduttori intrinseci ed estrinseci, livello di Fermi, potenziale chimico.
7. Proprietà ottiche (4)
Interazione fotone-elettrone, polaritoni; assorbimento banda-banda; assorbimento eccitonico; assorbimento di portatori liberi; riflettività; assorbimento del reticolo; impurezze. Scattering inelastico di fotoni: spettroscopia Raman. Fotoluminescenza. Fotoionizzazione.
8. Proprietà di trasporto (4)
Grandezze macroscopiche caratterizzanti il trasporto. Equazione di Boltzmann; funzione di distribuzione; trasporto di carica; processi di scattering, tempi di rilassamento; effetto Hall, magnetoresistenza, effetti di elevato campo elettrico (portatori caldi), effetto Gunn.
9. Portatori in eccesso (2)
Generazione e ricombinazione. Diffusione e deriva. Giunzioni in equilibrio termodinamico. Giunzioni in condizioni di non equilibrio.
10. Eterostrutture (4)
Regione di carica spaziale; flusso di corrente; ionizzazione per impatto; tunneling; capacita', gas elettronici bidimensionali (2DEG). Trasporto. Effetto Hall quantistico.
11. Celle Solari (4)
Effetto fotovoltaico; efficienza cella solare; celle solari di prima, seconda e terza generazione; aspetti commerciali e strategie energetiche
12. Nanostrutture. (2)
Quantum well. Strutture 1D e 0D, Coulomb blockade. Dispositivi a singolo elettrone.
13. Spintronica. (4)
Introduzione all'elettronica di spin; effetto Rashba; spin transistor; semiconduttori magnetici; composti di Heusler.
14. Computer quantistico. (2)
Dispositivi a semiconduttore per la computazione quantistica, architettura di Kane
Propedeuticità
1.Fisica Generale
2.Analisi matematica e metodi matematici per la fisica
3.Meccanica quantistica
4.Struttura della Materia
Prerequisiti e modalità di esame
L'esame consiste in una discussione orale che verte sugli argomenti trattati nel corso.
Metodi didattici
Modalità di frequenza:
Fortemente consigliata;
Modalità di erogazione:
Tradizionale.
Materiale didattico e bibliografia
Note del docente; M.Balkanski and R.F.Wallis, Semiconductor Physics and applications, (Oxford University Press, 2000);
Altri testi più specialistici
Periodo
Primo semestre
Periodo
Primo semestre
Modalità di valutazione
Esame
Giudizio di valutazione
voto verbalizzato in trentesimi