Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, delle Infrastrutture e dell'Energia Sostenibile - Università Mediterranea di Reggio Calabria - Didattica

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fisica dei semiconduttori

Corso

Ingegneria dell'Informazione

Curriculum

Curriculum unico

Orientamento

Orientamento unico

Anno Accademico

2019/2020

Crediti

Settore Scientifico Disciplinare

FIS/01

Anno

Terzo anno

Unità temporale

Secondo semestre

Ore aula

Attività formativa

Attività formative a scelta dello studente (art.10, comma 5, lettera a)

Canale unico

Docente

GIACOMO MESSINA

Obiettivi

Lo scopo del corso è fornire la necessaria base fisica per comprendere le caratteristiche, il funzionamento e le limitazioni degli attuali dispositivi a semiconduttore.
Nella prima parte del corso viene presentata un’introduzione alla struttura cristallina dei solidi, con particolare riferimento alle strutture cristalline di silicio, germanio, arseniuro di gallio. Vengono introdotti i principi di base della meccanica quantistica, applicati allo studio delle bande di energia e della conduzione elettrica nei solidi.
La seconda parte del corso tratta dei fenomeni di trasporto dei portatori di carica nei semiconduttori, sotto l’influenza di un campo elettrico (trascinamento di portatori) o di un gradiente di concentrazione (diffusione di portatori).
Nella terza parte del corso vengono studiate le giunzioni metallo-semiconduttore, sia rettificanti che non-rettificanti, i diodi LED e introdotti i principi dei laser. Infine vengono studiate le proprietà ottiche dei solidi e introdotte le funzioni dielettriche complesse.

L’obiettivo formativo del corso di Fisica dei semiconduttori è trasferire agli studenti i concetti fondamentali e le leggi fisiche alla base del funzionamento dei dispositivi elettronici a semiconduttore. Particolare attenzione è rivolta alla risoluzione di semplici problemi sulle strutture cristalline, sulle concentrazioni di equilibrio di elettroni e lacune e sul loro legame con la posizione del livello di Fermi, sui contatti metallo-semiconduttore.

Conoscenza e comprensione: al superamento dell’esame lo studente conosce e ha compreso la classificazione delle principali strutture cristalline di interesse per l’elettronica, i principi di base della Meccanica Quantistica applicati ai solidi, le leggi fondamentali che regolano le concentrazioni e il trasporto dei portatori nei semiconduttori, i meccanismi che determinano la formazione di una barriera di potenziale nelle giunzioni metallo-semiconduttore.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: al superamento dell’esame lo studente è in grado di applicare le conoscenze teoriche acquisite alla risoluzione di semplici problemi di fisica dei semiconduttori utilizzando le leggi fondamentali che regolano le concentrazioni dei portatori nei semiconduttori, e che determinano la formazione di barriere di potenziale all’interfaccia metallo-semiconduttore.

Autonomia di giudizio: al superamento dell’esame lo studente è in grado di esaminare criticamente i risultati ottenuti nella risoluzione di problemi. A seguito del superamento dell’esame, lo studente sarà in grado di riconoscere situazioni in cui applicare le competenze acquisite, di identificare la tipologia di problema e di valutare autonomamente possibili alternative per la sua risoluzione.

Abilità comunicative: a seguito del superamento dell’esame, lo studente è in grado di comunicare le conoscenze acquisite attraverso un linguaggio tecnico-scientifico adeguato a interlocutori specialisti e non specialisti.

Capacità di apprendimento: a seguito del superamento dell’esame, lo studente è in grado di approfondire in autonomia le conoscenze acquisite e di applicarle autonomamente allo studio dei nuovi argomenti da affrontare nella prosecuzione del proprio percorso di studio.

L’esame consiste in due prove, una scritta e una orale.
La prova scritta ha lo scopo di accertare la capacità dello studente di applicare le conoscenze acquisite durante il corso alla risoluzione di semplici problemi di fisica dei semiconduttori riguardanti le strutture cristalline, i principi di base della meccanica quantistica, le concentrazioni dei portatori nei semiconduttori drogati, le giunzioni metallo-semiconduttore. Il superamento della prova scritta consente l’accesso alla prova orale.
La prova orale è volta ad accertare il livello di conoscenza e comprensione dei contenuti del corso, di valutare l'autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento e le abilità comunicative. La prova orale consiste nella discussione della prova scritta, in domande e/o esercizi sui contenuti del corso.
Il voto finale delle prove di esame è determinato tenendo conto sia della prova scritta che della prova orale.

Al fine del superamento dell’esame con votazione minima di 18/30 è necessario che le conoscenze/competenze della materia siano almeno ad un livello elementare, sia per la parte scritta che per quella orale.
E’ attribuito un voto compreso fra 19/30 e 24/30 quando lo studente sia in grado di svolgere correttamente la parte scritta, ma possegga competenze elementari nella parte teorica.
E’ attribuito un voto compreso fra 25/30 e 30/30 quando lo studente sia in grado di svolgere correttamente la parte scritta e dimostri buone competenze nella parte teorica.
Agli studenti che abbiano acquisito competenze eccellenti sia nella parte scritta che in quella teorica può essere attribuita la lode

Programma

La struttura cristallina dei solidi
Materiali semiconduttori - Reticoli cristallini – Cella primitiva e cella unitaria – Strutture cristalline fondamentali: sc, fcc, bcc. – Struttura esagonale compatta - Piani cristallini e indici di Miller – Strutture cristalline del diamante (Si e Ge) e della zincoblenda (GaAs) – Imperfezioni e impurità nei solidi- Cella di Wigner-Seitz –– Reticolo reciproco – Vibrazioni di un reticolo monoatomico: relazione di dispersione E=E(k) – Un esempio di reticolo bidimensionale: il grafene. – Struttura cristallina del SiC

Introduzione alla meccanica quantistica
Principi della meccanica quantistica – Effetto fotoelettrico - Radiazione di corpo nero – Dualismo onda-particella – Lunghezza d’onda di De Broglie – Legge di Bragg per gli elettroni – Equazione d’onda di Schroedinger – Significato fisico della funzione d’onda - Buca di potenziale a pareti infinite – Atomo di idrogeno

Introduzione alla teoria quantistica dei solidi
Formazione delle bande di energia – Modello di Kronig-Penney – Conduzione elettrica nei solidi – Massa efficace – La funzione densità di stati – Distribuzione di Fermi-Dirac – Livello di Fermi - Estensione ai semiconduttori

Semiconduttori in equilibrio
Portatori di carica nei semiconduttori – Concentrazione dei portatori intrinseci - Semiconduttori intrinseci ed estrinseci – Donatori e accettori - Posizione del livello di Fermi – semiconduttori compensati

Fenomeni di trasporto nei semiconduttori
Drift dei portatori – Densità di corrente di drift - Mobilità – Conduttività - Diffusione dei portatori - Corrente di diffusione -

Esempi
Giunzioni metallo-semiconduttore - Diodo Schottky - Light emitting diodes (LED)

Proprietà ottiche dei solidi
Modello di Lorentz - Oscillatore smorzato e forzato in notazione complessa – Propagazione di un’onda e.m. in un mezzo dielettrico – Indice di rifrazione complesso – Costante dielettrica complessa – Propagazione di un’onda e.m. in un metallo - Modello Drude-Lorentz – Plasmoni

Applicazioni
Principi dei laser – Introduzione alla spettroscopia Raman

Testi docente

Neamen D.A., Semiconductor Physics and Devices. Basic Principles, Mc Graw-Hill
S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley-Interscience

Erogazione tradizionale

Sì

Erogazione a distanza

Frequenza obbligatoria

Valutazione prova scritta

Sì

Valutazione prova orale

Sì

Valutazione test attitudinale

Valutazione progetto

Valutazione tirocinio

Valutazione in itinere

Prova pratica

Docente

Antonino Foti