Fisica dello stato solido

Oggetto:

Fisica dello stato solido

Oggetto:

Anno accademico 2009/2010

Codice dell'attività didattica

MFN0850

Docenti

Prof. Claudio Manfredotti (Titolare del corso)
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)

Corso di studi

008510-104 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica delle Tecnologie Avanzate

Anno

1° anno

Periodo didattico

Secondo periodo didattico

Tipologia

B=Caratterizzante

Crediti/Valenza

SSD dell'attività didattica

FIS/03 - fisica della materia

Oggetto:

Obiettivi formativi

Obiettivi formativi: Fornire agli studenti le nozioni fondamentali per la comprensione dei fenomeni fondamentali della dinamica elettronica e reticolare nei solidi e alle proprietà di alcune classi di materiali.
Pre-requisiti in ingresso: Conoscenze della fisica di base (meccanica, elettromagnetismo, ottica) e di meccanica quantistica.
Competenze attese in uscita:
- Sapere descrivere il moto elettronico allinterno dei solidi dal punto di vista classico, semiclassico e quantistico
- Padroneggiare le implicazioni della struttura periodica spaziale nei confronti delle onde, sia elettromagnetiche che elettroniche
- Sapersi orientare allinterno di una situazione fisica relativa alla conduzione nei solidi individuando le grandezze importanti e il loro ordine di grandezza
- Possedere una buona padronanza dei fenomeni fisici su cui si basano i principali dispositivi a semiconduttore.
- Possedere una adeguata conoscenza delle principali proprietà elettroniche e ottiche dei materiali semiconduttori ed isolanti.
- Saper applicare tali conoscenze per definire le caratteristiche opto/elettroniche e le prestazioni dei principali dispositivi elettronici e sensori a semiconduttore

Oggetto:

MODULO 1 - 6 CFU

Strutture cristalline ed elementi di simmetria puntuale. Onde in mezzo non dispersivo e in mezzo dispersivo, velocità di gruppo. Diffrazione di neutroni ed elettroni: tecniche sperimentali per la diffrazione X e calcolo di Laue per l'ampiezza dell'onda diffusa. Reticolo reciproco e sue proprietà.
Modelli di Sommerfeld e di Drude per gli elettroni nei solidi: proprietà in regime stazionario. Distribuzione di Fermi e
potenziale chimico. Capacità termica a basse temperature. Conduzione elettrica: ipotesi di Drude sulle collisioni. Legge di Ohm. Tempo di rilassamento. Conducibilità termica e legge di Wiedemann-Franz secondo Drude e Sommerfeld. Effetto Seebeck.
Gas di Fermi in regime alternato. Conducibilità e suscettività elettriche complesse. Frequenza di plasma. Plasmoni. Lunghezza di schermo elettrostatico in approssimazione di Thomas-Fermi. Effetto Hall classico e quantistico. Magnetoresitenza trasversale. Effetto termoionico ed equazione di Richardson-Dushman. Limiti del modello a gas di Fermi
Teorema di Bloch in 1D. Impulso cristallino. Schemi della zona ridotta,estesa e ripetuta. Periodicita' delle autofunzioni e degli autovalori nello spazio k, bande di energia. Andamento delle bande e autofunzioni nel modello di Kronig-Penney.Modello ad elettroni quasi liberi in 1D. Soluzione approssimata a bordo zona. Definizione di superficie di Fermi. Superficie di Fermi per un metallo bivalente in 2D: superficie di tipo elettrone e di tipo lacuna.

MODULO 2 - 3 CFU

Elementi di Fisica dei semiconduttori: teoria delle bande, elettroni e lacune nei semiconduttori.
Statistica dei portatori di carica Trasporto di elettroni e lacune. Semiconduttori in condizioni di non equilibrio: iniezione, cinetica del processo di ricombinazione, origine dei centri di
generazione, ricombinazione. Conducibilità, resistività, legge di Ohm. Significato fisico dei diagrammi a bande Sensori di luce, sensori di campo magnetico
Giunzioni p-n: Elettrostatica, caratteristiche capacità/tensione e corrente/tensione teoria del diodo ideale. Rottura della giunzione. Principi di funzionamento dei transistori bipolare a giunzione e transistori ad effetto di campo. Tecnologia dei dispositivi a semiconduttore

1st part - 6 CFU

Crystalline Structures and puntual symmetry. Waves in a non dispersive and dispersive media; group velocity. Neutron and electron diffraction: experimental techniques and Laue theory for the evaluation of the scattering wave amplitude. Reciprocal lattice.
Sommerfield and Drude models for the electrons in solids: steady state conditions. Fermi-Dirac distribution and chemical potential. Thermal capacity at low temperatures. Electrical conduction: Drude model. Ohm law; relazation time; Thermal conductivity and Wiedemann-Franz law. Seebeck effect.
Fermi gas in non stationary state. Complex conductivity and electrical susceptibility Plasma frequency, plasmons.
Electrostatic screening length within the Thomas-Fermi approximation. Classical and quantum Hall effect
Magentoresistance. Thermoionic effect and Richardson-Dushman equation. Limits of the Fermi gas model.
Bloch theorem in 1D. Crystalline momentum. Reduced and extended zone schemes.
Periodicity of the eigenfunctions and eigenvalues in the k-space; band Energy. Kronig-Penney model.
Tight binding theory. Quasi free electron model in 1 D. Approximate solution at the zone boundary. Fermi surface for a bivalent metal in 2D. Surface of electron and hole tipe.

2nd part - 3 CFU
Elements of semiconductor physics: band theory, electrons and holes in the semiconductors. Statistics of charge carriers.
Transport of electrons and holes. Semiconductor in non-equilibrium condictions: injection, recombination kinetics, origin of the recombination centers.
Conductivity, resistivity, ohm law. Physical meaning of the band diagrams. Light sensors, magnetic field sensors. p-n junctions: electrostatics, C-V and I-V characteristics for an ideal diode. Junction breakdown.
Bipolar junction transistors and field effect transistors. Technology of the semiconductor devices.
Classroom exercises

Descrizione

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

C.Kittel, Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, Boringhieri, (1971)
J.R.Hook, H.E.Hall, Solid State Physics, J.Wiley & Sons, (1991)
N. W. Ashcroft, N. D. Mermin, Solid State Physics, Holt, Rinehart and Winston, (1976)
S.M. Sze, Semiconductor Devices, 2nd edition, John Wiley and Sons, 2002
A.S.Grove: Fisica e Tecnologia dei dispositivi a semiconduttore, Franco Angeli editore, Milano 1993
M.Shur, Physics of semiconductor devices, Prentice Hall series in Solid State electronics,New Jersey, 1990
M.Guzzi, Principi di Fisica dei Semiconduttori, Hoepli, 2004

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Note

Nessuna propedeuticità obbligatoria.
Frequenza non obbligatoria, ma fortemente consigliata.
Modalità di esame: orale.

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