UniversitÓ degli Studi di Pavia - FacoltÓ di Scienze MMFFNN

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Fisica dei semiconduttori

Corsi di laurea:
Scienze fisiche
Docenti:
Gerace Dario
Anno accademico:
2009/2010
Codice corso:
500606
Crediti formativi:
6
Ambiti:
FIS/03
Decreto Ministeriale:
270/04
Ore di lezione:
48
Lingua di insegnamento:
Italiano

ModalitÓ

La prova d'esame consiste in un colloquio orale. Inizialmente la discussione prenderÓ spunto da un argomento, a scelta dello studente, selezionato tra quelli principali trattati nel corso (proprietÓ elettroniche, proprietÓ di trasporto, proprietÓ ottiche), successivamente vi saranno almeno due ulteriori domande da parte dei docenti. Un programma dettagliato con gli argomenti oggetto d'esame sarÓ consegnato agli studenti al termine del corso
Si raccomanda di focalizzare la preparazione al colloquio orale sugli aspetti fisici (andamenti qualitativi, grafici, ordini di grandezza delle variabili principali, metodi di misura) piuttosto che sui dettagli delle derivazioni matematiche.

Prerequisiti

Il corso richiede conoscenze di meccanica quantistica e struttura della materia di base. Le nozioni fondamentali di Fisica dello Stato Solido necessarie per l'apprendimento della fisica dei semiconduttori saranno introdotte all'inizio del corso.
Il corso di Fisica dei Semiconduttori viene tenuto nel primo semestre, Ŕ complementare ai corsi di Fotonica e Fisica dei Dispositivi Elettronici a Stato Solido, ed Ŕ propedeutico a quello di Nanostrutture di Semiconduttori (che si tiene nel secondo semestre).

Programma

(1) Aspetti di base
Legame covalente, ionico, metallico, orbitali sp2 e sp3. Principi di struttura cristallina, reticoli diretto e reciproco, zona di Brillouin, indici di Miller. Diffrazione di Bragg e von Laue, fattore di forma atomico e fattore di struttura.
Semiconduttori amorfi (cenni).

(2) Stati elettronici e struttura a bande (elettroni e fononi)
Teorema di Bloch e classificazione degli stati in semiconduttori tetraedrici. Origine del gap di energia, materiali isolanti, semiconduttori, metallici.
Metodi di calcolo di struttura elettronica: pseudopotenziale, tight-binding.
Metodo k*p, concetto di massa effettiva, concetto di lacuna.
Struttura a bande dei principali materiali semiconduttori, gap diretto e indiretto. Misura della densitÓ degli stati e della dispersione delle bande: spettroscopia di fotoemissione (cenni).
Esercitazione numerica: calcolo delle bande con il metodo dello pseudopotenziale.
Vibrazioni reticolari: approssimazione di Born-Oppenheimer sull’hamiltoniana del cristallo, modelli vibrazionali 1D con costanti elastiche, branche ottica ed acustica, generalizzazione 3D, quantizzazione delle vibrazioni reticolari e concetto di fonone. Interazione elettrone-fonone, potenziale di deformazione (cenni), effetto piezoelettrico (cenni), hamiltoniana di Frohlich (cenni).

(3) Deviazioni dalla periodicitÓ
Livelli elettronici di impurezze, livelli di donore e accettore nell’approssimazione di massa effettiva. Deep centers. Stati di superficie, pinning del livello di Fermi. Strutture di superficie: accumulazione, svuotamento, inversione. Gas di elettroni/lacune bidimensionale.
Stati di interfaccia, interfacce metallo/semiconduttore, barriera Schottky, contatti Ohmici, strutture metallo/isolante/semiconduttore.

(4) Statistiche dei portatori
Semiconduttori omogenei: densitÓ degli stati, statistiche dei portatori liberi, semiconduttori degeneri e non degeneri, concetto di potenziale chimico, legge dell’azione di massa, statistiche dei portatori nei livelli di impurezze. Dipendenza del potenziale chimico e della densitÓ dei portatori liberi dalla temperatura: semiconduttore intrinseco ed estrinseco.
Semiconduttori inomogenei, potenziale elettrostatico e curvatura delle bande, giunzione p-n, approssimazione di svuotamento, curva caratteristica. Diffusione e ricombinazione nelle giunzioni.

(5) ProprietÓ di trasporto
Trasporto in campo basso: teoria semiclassica del trasporto in regime Ohmico, conducibilitÓ e mobilitÓ di elettroni e lacune; meccanismi di scattering (fononi, impurezze ionizzate), mobilitÓ in funzione della temperatura. Trasporto in campo alto: saturazione della velocitÓ di drift, velocity overshoot, effetto Gunn. Magnetotrasporto: metodo della risonanza di ciclotrone per la misura della massa effettiva, effetto Hall classico.

(6) ProprietÓ ottiche
Elettrodinamica macroscopica, modello di Lorentz e relazioni di Kramers-Kronig. Costanti ottiche.
Interazione radiazione-materia in approccio semiclassico, contributo interbanda alle costanti ottiche, derivazione microscopica della forza d’oscillatore.
Coefficiente di assorbimento, punti critici, densitÓ congiunta degli stati, transizioni dirette e indirette, assorbimento mediato da fononi.
Laboratorio: misura del coefficiente di assorbimento per gap diretto vs. indiretto.
Effetti oltre l’approssimazione di particella singola: stati eccitonici nell’approssimazione della funzione inviluppo, assorbimento da stati eccitonici. Assorbimento da portatori liberi, modello di Drude e plasmoni. Assorbimento da vibrazioni reticolari, relazione di Lyddane-Sachs-Teller.

(7) Celle fotovoltaiche (argomento monografico)
GeneralitÓ, caratteristiche tensione-corrente. Spettro solare, bilancio dettagliato, limiti alla efficienza di conversione fotovoltaica. Giunzione p-n sotto illuminazione. Principali tipi di celle a Silicio o basate su altri semiconduttori.

Bibliografia

P.Y. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors: Physics and Material Properties, 3rd edition (Springer, 2005)
M. Grundmann, The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Devices and Nanophysics (Springer, 2006)
G. Grosso and G. Pastori Parravicini, Solid State Physics (Academic Press, 2000)
N.W. Ashcroft, N.D. Mermin, Solid State Physics (Holt-Rinehart, 1976)


Elenco appelli e prove

Nessuna prova presente

Credits: apnetwork.it