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Oggetto:
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Fisica dei semiconduttori con laboratorio

Oggetto:

Semiconductor Physics with laboratory

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Anno accademico 2020/2021

Codice attività didattica
FIS0121
Docente
Prof. Paolo Olivero (Titolare del corso)
Corso di studio
008510-103 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica dell'Ambiente e delle Tecnologie Avanzate
008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica del Sistema Meteoclimatico e delle Tecnologie Avanzate
Anno
1° anno, 2° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
D=A scelta dello studente
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Inglese
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti
Contenuti del corso "Fisica dello Stato Solido"
Contents of the "Solid State Physics" course.
Propedeutico a
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Sommario del corso

Oggetto:

Obiettivi formativi

  • Fornire i concetti di base nella fisica dei semiconduttori (statistica dei portatori, meccanismi di conduzione, teoria di Shockley-Read-Hall).
  • Fornire le conoscenze di base della fisica dei più importanti dispositivi elettronici (giunzioni p-n e Schottky, transistors a giunzione bipolare e a effetto di campo, dispositivi CCD).
  • Introdurre le procedure di caratterizzazione sperimentale of giunzioni bipolari e celle celle fotovoltaiche.
  • Introdurre concetti di base per i sistemi a bassa dimensionalità

 EMERGENZA SANITARIA: Obiettivi formativi invariati.

  • To provide the basic knowledge on the physics of semiconductor devices (carrier statistics, conduction mechanisms, Shockley-Read-Hall theory).
  • To provide the basic knowledge of the physics of the most important electronic devices (p-n and Schottky junctions, bipolar junction and field effect transistors, CCD devices).
  • To introduce the experimental procedures for the characterization of bipolar junctions and photovoltaic devices.
  • To introduce basic concepts for low-dimensionality systems

 SANITARY EMERGENCY: The objectives of the course are unchanged.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

  • Comprensione dei concetti alla base delle proprietà elettriche dei materiali semiconduttori e dei dispositivi basati su di essi (giunzioni bipolari e Schottky, celle fotovoltaiche, transistors, sistemi a bassa dimensionalità).
  • Comprensione delle modalità di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali per la caratterizzazione di giunzioni bipolari e dispositivi fotovoltaici.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

  • Capacità di comprendere e padroneggiare i modelli fisici fondamentali per l'interpretazione dei fenomeni di trasporto elettrico nei semiconduttori e di funzionamento dei principali dispositivi basati su di essi (giunzioni bipolari e Schottky, celle fotovoltaiche, transistors)
  • Capacità di effettuare misure di laboratorio seguendo un adeguato protocollo sperimentale per la caratterizzazione di giunzioni bipolari e dispositivi fotovoltaici

 EMERGENZA SANITARIA: Risultati dell'apprendimento attesi invariati.

Knowledge and understanding

  • Understanding the basic concepts on the electrical properties of semiconducting materials and of related devices (bipolar and Schottky junctions, photovoltaic cells, transistors, low-dimensionality systems).
  • Understanding of the functionalities of laboratory equipment and of relevant experimental techniques for the characterization of bipolar junctions and photovoltaic devices.

Applying knowledge and understanding

  • Ability to understand and manage fundamental physical models to interpret charge transport mechanisms in semiconductors, as well as the functionalities of main related devices (bipolar and Schottky junctions, photovoltaic cells, transistors).
  • Ability to take experimental measurements, adopting a suitable experimental protocol for the characterization of bipolar junctions and photovoltaic devices

 SANITARY EMERGENCY: The expected learning results of the course are unchanged.

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Programma

Lezioni frontali:

  • Modello "tight binding"
  • Statistica dei portatori in semiconduttori intrinseci ed estrinseci
  • Teoria di Shockley-Read-Hall
  • Meccanismi di trasporto nei semiconduttori
  • Giunione p-n: derivazione della legge del diodo, diodo non ideale
  • Fisica e aspetti tecnologici dei dispositivi fotovoltaici
  • Giunione metallo-semiconduttore: diodo Schottky
  • Transistors: giunzione bipolare, JFET, MOSFET
  • Dispositivi "Charge coupled device" (CCD)
  • Sistemi a bassa dimensionalità (quantum well, quantum wire, quantum dot)

Attività in laboratorio:

  • caratterizzazione di una cella fotovoltaica;
  • caratterizzazione di transistors BJT, J-FET e MOSFET;
  • caratterizzazione di una giunzione p-n in funzione della temperatura.

EMERGENZA SANITARIA: Il programma del corso è invariato.

Frontal lectures:

  • Tight binding model
  • Carrier statistics in intrinsic and extrinsic semiconductors
  • Shockley-Read-Hall theory
  • Charge transport mechanisms in semiconctors
  • p-n junction: derivation of the diode law, non-ideal diode
  • Physics and technological aspects of photovoltaic devices
  • Metal-semiconductor junction: Schottky diode
  • Transistors: bipolar junction, JFET, MOSFET
  • Charge coupled devices
  • Low dimensionality system (quantum wells, quantum wire, quantum dots)

Laboratory activities:

  • characterization of a photovoltaic cell;
  • characterization of BJT, J-FET and MOSFET transistors;
  • charcaterization of a p-n junction at variable temperature.

SANITARY EMERGENCY: The program of the course is unchanged.

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Modalità di insegnamento

Il corso è organizzato in 5 CFU (40 ore) di didattica frontale e 1 CFU (10 ore) di didattica di laboratorio.

La frequenza alle lezioni frontali è facoltativa, mentre è obbligatoria (frequenza minima 70%) per le sessioni di laboratorio.

Tutte le lezioni frontali si terranno in lingua inglese.

Questo corso è mutuato dal modulo Solid State Physics - mod. A del corso Solid State Physics per la laurea magistrale in Scienza dei Materiali.

EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, verrà garantita l'erogazione di tutte le lezioni frontali in modalità telematica sincrona, ovvero seguendo una ben definita calendarizzazione delle lezioni stesse nel periodo didattico. Tali video-lezioni potranno consistere in registrazioni di lezioni in presenza oppure in video-registrazioni prodotte dai docenti in separata sede. In ogni caso, le video-registrazioni saranno successivamente disponibili per lo scaricamento dalla pagina e-learning/moodle del corso.  L'erogazione della didattica laboratoriale in presenza verrà garantita compatibilmente con le normative vigenti, ovvero in termini di numero massimo di frequentatori simultanei del laboratorio. Eventuali rimodulazioni della calendarizzazione delle sessioni laboratoriali saranno valutate dal docente sulla base dei vincoli che saranno imposti all'accessibilità dei laboratori.

The course is organized in 5 credits (40 hours) of frontal lectures and 1 credit (10 hours) of laboratory activities.

The attendance to the frontal lectures is optional, while it is compulsory (minimum 70% attendance) for the laboratory sessions.

All frontal lectures will be given in English language.

The course is shared with the Solid State Physics - mod. A  module of the Solid State Physics course of the Master Degree in Material Science.

SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, all lectures will be given online in synchronous mode, i.e. by following the planned timetable of the lectures during the teaching period. The video-lectures will consist of live recordings of the lectures given to the students, or alternatively of recordings of lectures givenremotely by the teachers. In both cases, the recordings will be downloadable from the e-learning/moodel webpage of the course. The laboratory sessions in physical presence will be guaranteed, compatibly with the concurrent rules of access to the institute, particularly with regards to the maximum number of students allowed at the same time in the laboratories. Possible modifications to the laboratory sessions timetable will be evaluated by the teachers on the basis of the above-mentioned rules of access.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consisterà in un colloquio orale (in lingua italiana o inglese, a scelta dell'esaminando) della durata di circa 30 minuti in cui si valuteranno:

  • la comprensione dei contenuti delle lezioni frontali, sia per quanto riguarda la derivazione delle formulazioni che la risoluzione di semplici esercizi numerici;
  • i contenuti delle relazioni delle attività integrative di laboratorio, che gli studenti sono chiamati a produrre a gruppi e consegnare almeno una settimana prima dell'esame.

 EMERGENZA SANITARIA: a partire dall'appello del 08/09/2020 incluso, gli esami si svolgeranno in presenza presso i locali del Dipartimento di Fisica in via Pietro Giuria 1. In ottemperanza al Decreto Rettorale n. 2576/2020, verrà comunque data la possibilità di tenere gli esami in modalità telematica agli studenti che si troveranno in almeno una delle seguenti condizioni:

  • situazione di fragilità (diretta e indiretta, malattia, etc)
  • residenza o domicilio fuori regione
  • assenza temporanea dal territorio regionale per esigenze documentabili

Nel caso, le suddette condizioni dovranno essere documentate dallo studente tramite auto-dichiarazione, consapevole che l’Ateneo potrà richiedere riscontro di tale condizione mediante la presentazione di documentazione oggettiva che attesti quanto autocertificato. In caso di dichiarazione mendace l'interessato potrà essere depennato dall’elenco degli iscritti all’appello.

 

The exam will consist in an oral colloquium (in English or Italian, at the student's choice) of about 30 minutes in which the following aspects will be evaluated:

  • understanding of the contents of the frontal lectures, both with regards to the derivation of the formalism presented in the lectures and to the solution of simple numerical problems;
  • contents of the reports of the supporting laboratory activities, which the students must produce in groups and deliver at least one week before the exam.

 SANITARY EMERGENCY: starting from the session of 08/09/2020 (included), the exams will be organized in presence at the Physics Department in via Pietro Giuria 1. In compliance with Rectoral Decree nr. 2576/2020, students will have the possibility of giving the exam in videoconference, provided that they find themselves in at least one of the following conditions:

  • health issues
  • residency outside of Piemonte region
  • temporary residency outside of Piemonte region

In case, the above-listed conditions will need to be demonstrated by means of a written self-declearation. The University will retain the right of requesting a more detailed documented demonstration of such declarations. In case of mendacious declarations, the students will be removed from the exam registration list.

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Attività di supporto

 EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, le necessarie misure di didattica integrativa (sessioni telematiche di tutoraggio e assistenza agli studenti) saranno concordate con gli studenti ed organizzate per facilitare la comprensione dei contenuti didattici.

 SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, the necessary measures of integrative teaching (online tutoring and counseling sessions) will be defined together with the students in order to facilitate the understanding of the course contents.

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Testi consigliati e bibliografia

[1] S.M.Sze, "Semiconductor Devices, Physics and Technology, 2nd edition", John Wiley and Sons, USA, 2002

[2] A.S.Grove, "Fisica e tecnologia dei dispositivi a semiconduttore", 4a edizione, Ingegneria elettrica Franco Angeli, Milano 1985

[3] M.Shur, "Physics of semiconductor devices", Prentice Hall series in Solid State electronics,New Jersey, 1990.

[4] J. I. Pankove, "Optical Processes in Semiconductors", Dover

 EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, le necessarie misure verranno intraprese per rendere facilmente accessibile in remoto il materiale didattico integrativo.

[1] S.M.Sze, "Semiconductor Devices, Physics and Technology, 2nd edition", John Wiley and Sons, USA, 2002

[2] A.S.Grove, "Physics and Technology of Semiconductor Devices" (Wiley International Edition)

[3] M.Shur, "Physics of semiconductor devices", Prentice Hall series in Solid State electronics,New Jersey, 1990.

[4] J. I. Pankove, "Optical Processes in Semiconductors", Dover

 SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, all necessary measures will be adopted to facilitate the remote access to the support teaching material.

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Orario lezioniV

Lezioni: dal 19/04/2021 al 12/06/2021

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    Ultimo aggiornamento: 31/08/2020 10:08
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