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

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Fondamenti fisici dei dispositivi a stato solido

Corso

Ingegneria Elettronica

Curriculum

ELETTRONICA

Orientamento

Generale

Anno Accademico

2020/2021

Crediti

Settore Scientifico Disciplinare

FIS/01

Anno

Primo anno

Unità temporale

Primo semestre

Ore aula

Attività formativa

Attività formative affini ed integrative

Canale unico

Docente

GIACOMO MESSINA

Obiettivi

L’obiettivo formativo del corso di “Fondamenti fisici dei dispositivi a stato solido” è trasferire agli studenti i principi fondamentali e le leggi fisiche alla base del funzionamento dei dispositivi elettronici e fotonici, la cui conoscenza è essenziale per una piena comprensione del loro funzionamento e per la progettazione di dispositivi innovativi, anche alla luce dei recenti rapidi progressi nelle nanotecnologie.
Particolare attenzione è rivolta alla risoluzione di problemi sulle strutture cristalline dei semiconduttori di interesse per applicazioni elettroniche/fotoniche (Si, Ge, GaAs, GaN, SiC), sulla struttura a bande di omogiunzioni ed eterogiunzioni, sulla elettrostatica di omo- ed etero-giunzioni, sulle proprietà ottiche dei solidi.

Conoscenza e comprensione: al superamento dell’esame lo studente conosce e ha compreso la classificazione delle principali strutture cristalline di interesse per l’elettronica/fotonica, i meccanismi che determinano la formazione di una barriera di potenziale in omo- ed etero-giunzioni, i fondamenti della Teoria Quantistica dei solidi e la loro applicazione ai diagrammi a bande di energia in generiche strutture a semiconduttore, i principi fisici alla base del funzionamento dei dispositivi emettitori di luce (LED e diodi laser)

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: al superamento dell’esame lo studente è in grado di applicare le conoscenze teoriche acquisite per la risoluzione di problemi anche complessi di fisica dei semiconduttori utilizzando le leggi fondamentali della Teoria Quantistica dei solidi, per tracciare i diagrammi a bande e calcolare il potenziale di built-in in omo- ed etero-giunzioni, per confrontare semiconduttori e solidi con differenti proprietà ottiche

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 e in ambito lavorativo.

Modalità di accertamento e valutazione

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 problemi anche complessi riguardanti l’elettrostatica elettrostatica di omo- ed etero-giunzioni, i diagrammi a bande e il potenziale di contatto in omo- ed etero-giunzioni, le proprietà ottiche dei solidi e dei semiconduttori.
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.

Modalità di valutazione
30 e lode: conoscenza completa, approfondita e critica degli argomenti, eccellente proprietà di linguaggio, completa ed originale capacità interpretativa, piena capacità di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
28 - 30: conoscenza completa e approfondita degli argomenti, ottima proprietà di linguaggio, completa ed efficace capacità interpretativa, in grado di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
24 - 27: conoscenza degli argomenti con un buon grado di padronanza, buona proprietà di linguaggio, corretta e sicura capacità interpretativa, buona capacità di applicare in modo corretto la maggior parte delle conoscenze per risolvere i problemi proposti;
20 - 23: conoscenza adeguata degli argomenti ma limitata padronanza degli stessi, soddisfacente proprietà di linguaggio, corretta capacità interpretativa, più che sufficiente capacità di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
18 - 19: conoscenza di base degli argomenti principali, conoscenza di base del linguaggio tecnico, sufficiente capacità interpretativa, sufficiente capacità di applicare le conoscenze di base acquisite;
<18 Insufficiente: non possiede una conoscenza accettabile degli argomenti trattati durante il corso.

Programma

Programma di Fondamenti fisici dei dispositivi a stato solido

Introduzione alla struttura della materia
Crisi della Fisica Classica – Modello atomico di Bohr - Principio di indeterminazione di Heisenberg – Natura ondulatoria della materia – Teoria quantistica di Schroedinger e funzione d’onda – Esempi: particella libera, buca di potenziale, barriera di potenziale, oscillatore armonico, atomo di idrogeno.
Solidi
Materiali cristallini, policristallini ed amorfi - Struttura cristallina di Silicio, Germanio, Arseniuro di Gallio, Nitruro di Gallio, Carburo di silicio – Politipismo – Vibrazioni dei cristalli - Diffrazione delle onde da un cristallo - Diffrazione dei raggi X – Legge di Bragg per i raggi X – Reticolo reciproco -Condizioni per la diffrazione – Zone di Brillouin -
Gas di Fermi
Gas di elettroni liberi in una, due e tre dimensioni – Densità di stati – Elettroni in un potenziale periodico - Bande di energia – Funzioni di Bloch - Modello di Kronig-Penney - Classificazione dei materiali sulla base della struttura a bande: metalli, semiconduttori ed isolanti.
Cristalli semiconduttori
Semiconduttori intrinseci ed estrinseci - Concentrazione di portatori intrinseci – Gap di banda – Cammino libero medio e tempo libero medio – Mobilità - Conduttività – Diffusione dei portatori – Relazione di Einstein - Dipendenza dalla temperatura di Egap e della mobilità – Energia di Fermi - Calcolo della concentrazione di elettroni e lacune in banda di conduzione e in banda di valenza – Livello di Fermi in semiconduttori intrinseci e drogati – Densità efficace degli stati in banda di conduzione NC e di valenza NV - Legge di azione di massa - Iniezione di portatori – Processi di generazione e ricombinazione – Ricombinazione diretta – Ricombinazione indiretta – Ricombinazione superficiale – Equazione di continuità -
Giunzione p-n
Condizione di equilibrio termodinamico – Elettrostatica della giunzione p-n – Regione di svuotamento –Giunzione brusca - Potenziale di built-in Vbi - Capacità di svuotamento – Giunzione brusca asimmetrica – Elettrostatica della struttura pin - metallo-semiconduttore – Eterogiunzioni – Tipi di eterogiunzioni: nP, Np, nN, pP - Diagrammi a bande di energia – Gas di elettroni bidimensionale – Elettrostatica della eterogiunzione - Diodo Tunnel – Assorbimento ottico - Proprietà ottiche dei semiconduttori e band gap diretta e indiretta – Diodo Laser – Emissione stimolata e inversione di popolazione – Cavità ottica – Threshold current
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 – Nanoparticelle metalliche - Risonanze plasmoniche
Tecniche di analisi della struttura dei solidi e Nanotecnologie
Spettrofotometria UV-visibile - Diffrattometria a raggi X - -Ellissometria spettroscopica - Risonanza magnetica, Microscopia elettronica e AFM.

Testi docente

Ruggero VAGLIO, "Elementi di fisica dello stato solido per ingegneria", Liguori Editore
Neamen D.A., "Semiconductor Physics and Devices Basic Principles", Mc Graw-Hill
S.M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Wiley-Interscience
Charles KITTEL, "Introduzione alla fisica dello stato solido", Casa Editrice Ambrosiana

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

Ulteriori informazioni

Materiale didattico
Ricevimento
Avvisi
Orario lezioni
Codice insegnamento

Nessun materiale didattico inserito per questo insegnamento

Elenco dei rievimenti:

Descrizione	Avviso
Ricevimenti di: Giacomo Messina
Ricevimento Studenti Prof. Messina su piattaforma TEAMS Nel mese di febbraio 2022 il ricevimento studenti del Prof. Messina si terrà il mercoledì dalle 16:00 alle 18:00 su piattaforma TEAMS. In caso di necessità, gli studenti possono richiedere al docente per e-mail un appuntamento in altro orario.

Avviso
Risultati Prova scritta di Fondamenti Fisici dei Dispositivi a Stato Solido

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