Physics - Fisica

ANTONIO POLIMENI
ANTONIO POLIMENI

OBIETTIVI GENERALI: Comprensione delle proprietà fondamentali ottiche e di trasporto dei semiconduttori e utilizzo di queste proprietà nei principali dispositivi elettronici e opto-elettronici.

OBIETTIVI SPECIFICI:
A – Conoscenza e capacità di comprensione
OF 1) Conoscere le proprietà elettroniche fondamentali dei semiconduttori e come derivano dalla loro struttura cristallina e dalla loro composizione chimica.
OF 2) Comprendere come le proprietà elettroniche fondamentali dei semiconduttori possono essere modificate dalla nanostrutturizzazione dei materiali.
OF 3) Conoscere i principali fenomeni di trasporto di carica nei semiconduttori.
OF 4) Conoscere i principali processi di interazione della luce con i semiconduttori e i relativi fenomeni connessi.
OF 5) Sulla base dei punti precedenti, apprendere i principi di funzionamento dei più comuni dispositivi elettronici e optolettronici basati sui materiali semiconduttori.

B - CAPACITA’ APPLICATIVE
OF 6) Saper determinare in generale quali materiali semiconduttori possono essere utilizzati per fabbricare dei dispositivi con specifiche caratteristiche.
OF 7) Saper prevedere gli effetti di campi elettro-magnetici sulle proprietà di trasporto e ottiche dei semiconduttori.
OF 8) Essere in grado di selezionare un dispositivo a semiconduttore per la misura di date grandezze.
C – Autonomia di giudizio
OF 9) Determinare i nessi tra le proprietà di un semiconduttore e le caratteristiche di un dispositivo.
OF 10) Essere in grado di integrare le conoscenze acquisite al fine di applicarle successivamente nel contesto più generale delle applicazioni dispositivistiche dei materiali semiconduttori.
D – Abilità nella comunicazione
OF 11) Saper esporre le ragioni fondamentali alla base del funzionamento di un dispositivo.
OF 12) Saper motivare la scelta di un materiale semiconduttore per lo svolgimento di specifiche applicazioni.
E – Capacità di apprendere
OF 13) ) Acquisire la capacità di leggere e comprendere indipendentemente testi scientifici e articoli tecnici basati sugli argomenti trattati nel corso
OF 14) Avere la capacità di scegliere e individuare un opportuno dispositivo a seconda dell’utilizzo.

Lo studente apprenderà i principi fondamentali dei materiali semiconduttori, e le loro proprietà di trasporto e ottiche. Questi principi fondamentali saranno finalizzati per la comprensione dei meccanismi fisici alla base del funzionamento dei dispositivi elettronici.

Meccanica quantistica, fisica elementari dei solidi.

1) Proprietà fondamentali dei semiconduttori.
i) Semiconduttori elementari, composti e in lega: strutture cristalline, metodi di crescita, strutture a bande. Densità di stato, drogaggio, livelli di Fermi e statistica dei portatori nei semiconduttori.
ii) Il metodo k.p e l'approssimazione della massa effettiva per la valutazione degli stati elettronici nei semiconduttori.
iii) Nanostrutture a semiconduttore: pozzi quantici, nanofili, cristalli bidimensionali e punti quantici: metodi di fabbricazione e proprietà elettroniche (allineamento delle bande).

2) Proprietà di trasporto dei semiconduttori.
i) L'equazione di Boltzmann. Conduttività elettrica e mobilità dei semiconduttori e processi di scattering microscopico (fononi, impurità).
ii) Fenomeni di magnetotrasporto: effetto Hall, magnetoresistenza, livelli di Landau e fenomeni di oscillazione quantistica. Campi magnetici sugli elettroni legati.

3) Proprietà ottiche dei semiconduttori.
i) Interazione luce-materia nei semiconduttori. Hamiltoniana elettrone-fotone, transizioni intrabanda e interbanda (eccitoni, impurità), elementi di matrice ottica, densità congiunta degli stati e regole di selezione. Fenomeni magneto-ottici.
ii) Velocità di transizione, coefficienti di perdita, assorbimento ed emissione stimolata/spontanea di fotoni, inversione di popolazione e guadagno ottico.

4) Dispositivi a semiconduttore.
i) Giunzione p-n e diodi: diagramma a bande, caratteristiche I-V, capacità.
ii) Giunzioni metallo-semiconduttore (contatti ohmici e barriere di Schottky). Condensatore metallo-ossido-semiconduttore.
iii) Dispositivi a induttanza cinetica: fabbricazione e caratteristiche.
iv) Transistor a effetto di campo: principi, caratteristiche I-V.

M. Dresslhaus, G. Dresslhaus, S. B. Cronin and A. G. S. Filho, Solid State Properties (From Bulk to Nano), Springer (2018).
M. Grundmann, The Physics of Semiconductors, Springer (2021).

Le lezioni si svolgeranno mediante l'utilizzo di una lavagna e l'ausilio di figure che verranno mostrate durante la lezione. Le figure saranno fornite in anticipo.

La frequenza non è obbligatoria ma è certamente utile per poter chiedere spiegazioni e presentare dubbi immediatamente dopo l'esposizione dei concetti discussi.

L'esame consisterà in una serie di domande quantitative volte a verificare la comprensione dei principi base dei materiali semiconduttori e della loro risposta a campi esterni. Inoltre, quesiti verranno posti anche relativamente ai principi di funzionamento delle giunzioni p-n e dei transistor a effetto di campo.

Struttura a bande dei principali cristalli semiconduttori.
Dimostrare il teorema della massa efficace.
Determinazione della massa efficace di elettroni e lacune mediante misure di risonanza ciclotronica.
Proprietà di trasporto dei semiconduttori utilizzando l'equazione di Boltzmann.
Spiegare le caratteristiche corrente-tensione di una giunzione p-n.
Principio di funzionamento dei transistor a effetto di campo.

• M. Dresslhaus, G. Dresslhaus, S.
  B. Cronin and A. G. S. Filho, Solid State Properties (From Bulk to Nano),
  Springer (2018).


• M. Grundmann, The Physics of
  Semiconductors, Springer (2021).