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Fondamenti fisici dei dispositivi a stato solido

Corso Ingegneria Elettronica
Curriculum Curriculum unico
Orientamento Elettronica per l'Industria
Anno Accademico 2019/2020
Crediti 6
Settore Scientifico Disciplinare FIS/01
Anno Primo anno
Unità temporale Primo semestre
Ore aula 48
Attività formativa Attività formative affini ed integrative

Canale unico

Docente GIACOMO MESSINA
Obiettivi Descrizione sintetica:
Nel corso di Fondamenti fisici dei dispositivi a stato solido vengono fornite i concetti di base della meccanica quantistica e della fisica dei semiconduttori. Le conoscenze acquisite consentono allo studente di comprendere i fenomeni trasporto dei portatori nei semiconduttori, di generazione-ricombinazione, assorbimento ed emissione di fotoni alla base del funzionamento dei principali dispositivi a stato solido.

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.

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 20/30 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 Programma dettagliato del corso

Introduzione alla struttura della materia
Crisi della Fisica Classica –Effetto fotoelettrico - Relazione di De Broglie. - Modello atomico di Bohr - Principio di indeterminazione di Heisenberg – Particella in una buca di potenziale a pareti infinite e finite - Effetto tunnel
Solidi
Materiali cristallini, policristallini ed amorfi - Strutture cristalline - Reticoli cristallini - Indici di Miller – Strutture cristalline del diamante (Si e Ge) e della zinco blenda (GaAs) – Bande di Energia - Classificazione dei materiali sulla base della struttura a bande: metalli, semiconduttori ed isolanti.

Semiconduttori
Gas di Fermi in una due e tre dimensioni – Densità di stati – Funzione di distribuzione di Fermi-Dirac – Densità degli stati occupati – Energia di Fermi - Richiami di– 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 - Semiconduttori a gap diretto e indiretto – Processi ottici nei semiconduttori - Fenomeni_Trasporto_nei_Semiconduttori – Cammino libero medio e tempo libero medio – Mobilità – Dipendenza della mobilità dalla temperatura e dalla concentrazione di impurità – Equazione di continuità – Bande di energia - Giunzione p-n – Diodo Tunnel- Assorbimento ottico - Diodi LED – Diodi Laser

Tecniche Spettroscopiche
Cenni di: Risonanza Magnetica, diffrattometria a Raggi X, spettroscopia Raman, ellissometria
Testi docente Neamen D.A., “Semiconductor Physics and Devices”, Mc Graw Hill
S. Sze, Dispositivi a semiconduttore, Hoepli
Kittel “Fisica dello Stato Solido”, Ambrosiana
Erogazione tradizionale Sì
Erogazione a distanza No
Frequenza obbligatoria No
Valutazione prova scritta Sì
Valutazione prova orale Sì
Valutazione test attitudinale No
Valutazione progetto No
Valutazione tirocinio No
Valutazione in itinere No
Prova pratica No
Docente FRANCESCO GIUSEPPE DELLA CORTE
Obiettivi Descrizione sintetica:
Nel corso di Fondamenti fisici dei dispositivi a stato solido vengono fornite i concetti di base della meccanica quantistica e della fisica dei semiconduttori. Le conoscenze acquisite consentono allo studente di comprendere i fenomeni trasporto dei portatori nei semiconduttori, di generazione-ricombinazione, assorbimento ed emissione di fotoni alla base del funzionamento dei principali dispositivi a stato solido.

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.

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 20/30 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 Introduzione alla struttura della materia
Crisi della Fisica Classica –Effetto fotoelettrico - Relazione di De Broglie. - Modello atomico di Bohr - Principio di indeterminazione di Heisenberg – Particella in una buca di potenziale a pareti infinite e finite - Effetto tunnel
Solidi
Materiali cristallini, policristallini ed amorfi - Strutture cristalline - Reticoli cristallini - Indici di Miller – Strutture cristalline del diamante (Si e Ge) e della zinco blenda (GaAs) – Bande di Energia - Classificazione dei materiali sulla base della struttura a bande: metalli, semiconduttori ed isolanti.

Semiconduttori
Gas di Fermi in una due e tre dimensioni – Densità di stati – Funzione di distribuzione di Fermi-Dirac – Densità degli stati occupati – Energia di Fermi - Richiami di– 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 - Semiconduttori a gap diretto e indiretto – Processi ottici nei semiconduttori - Fenomeni_Trasporto_nei_Semiconduttori – Cammino libero medio e tempo libero medio – Mobilità – Dipendenza della mobilità dalla temperatura e dalla concentrazione di impurità – Equazione di continuità – Bande di energia - Giunzione p-n – Diodo Tunnel- Assorbimento ottico - Diodi LED – Diodi Laser

Tecniche Spettroscopiche
Cenni di: Risonanza Magnetica, diffrattometria a Raggi X, spettroscopia Raman, ellissometria
Testi docente Neamen D.A., “Semiconductor Physics and Devices”, Mc Graw Hill
S.M. Sze, Physics of Semiconducttor Devices, Wiley-Interscience
C.Kittel, “Introduction to Solid State Physics ”, John Wiley & S
Muller-Kamins "Dispositivi elettronici nei circuiti integrati", Boringhieri
Erogazione tradizionale Sì
Erogazione a distanza No
Frequenza obbligatoria No
Valutazione prova scritta Sì
Valutazione prova orale Sì
Valutazione test attitudinale No
Valutazione progetto No
Valutazione tirocinio No
Valutazione in itinere No
Prova pratica No

Ulteriori informazioni


Elenco dei rievimenti:

Descrizione Avviso
Ricevimenti di: Giacomo Messina
Il ricevimento studenti del Prof.Giacomo Messina si terra' venerdì 10 gennaio ore 8:45 presso il Laboratorio di Fisica (primo piano sopra aula F1).
Ricevimenti di: Giacomo Messina
Il ricevimento studenti del Prof. Giacomo Messina si tiene il venerdi' alle ore 10:00.
Ricevimenti di: Giacomo Messina
Il ricevimento studenti del prof. Giacomo Messina si terra' venerdi' 10 gennaio 2020 ore 8:45 presso il Laboratorio di Fisica (sopra aula F1)

E' comunque possibile concordare il ricevimento su appuntamento inviando una email all'indirizzo messina@unirc.it
Nessun avviso pubblicato
Nessuna lezione pubblicata
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