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Fisica dei semiconduttori con laboratorio

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Semiconductor Physics with laboratory

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Anno accademico 2019/2020

Codice dell'attività didattica
FIS0121
Docente
Prof. Paolo Olivero (Titolare del corso)
Corso di studi
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 didattico
Terzo periodo didattico
Tipologia
D=A scelta dello studente
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Inglese
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Contenuti del corso "Fisica dello Stato Solido"
Contents of the "Solid State Physics" course.
Propedeutico a
Mutuato da
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Sommario del corso

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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

- 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

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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

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

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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.

I primi 3 CFU di didattica frontale saranno erogati in lingua inglese. La lingua in cui si terranno gli ultimi 2 CFU sarà concordata con gli studenti, sulla base delle loro richieste e della eventuale presenza di studenti stranieri.

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

 DIDATTICA ALTERNATIVA: In concomitanza con l'emergenza COVID-19, ed in ottemperanza ai relativi decreti ministeriale e rettorale, il corso è erogato in modalità a distanza per tutto il periodo di chiusura delle strutture didattiche dell'Università. Le lezioni a distanza saranno erogate in streaming mediante piattaforma Webex nelle date ed orari corrispondenti (compatibilmente con eventuali problematiche tecniche che dovessero presentarsi) alla calendarizzazione originaria del corso. In seguito, le video-registrazioni saranno scaricabili dalla pagina moodle/e-learning del corso.

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.

The first 3 credits of frontal lectures will be given in English language. The last 2 credits of frontal lectures will be given either in Italian or English, on the basis of the students' requests and of the presence of foreign students in the class.

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.

 REMOTE TEACHING: In concurrence with the COVID-19 emergency situation, and in compliance with the relevant dispositions of the Ministry and of the University, the course is offered in remote teaching mode for the whole period in which in the University structures will be closed to public access. The remote teching will be delivered with streaming videos on Webex platform in concurrence of the dates and times of the original calendar of the course (compatibly with possible technical problems). Subsequently, the recorded videos will be downloadable from the moodle/e-learning page of the course.

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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.

 ESAMI A DISTANZA: In concomitanza con l'emergenza COVID-19, ed in ottemperanza al decreto rettorale rep. 1097/2020 del 20/03/2020, gli esami si terranno secondo le suddette modalità, utilizzando la piattaforma di tele-conferenza Webex. In particolare, come già da prassi consolidata, la commissione sarà formata di almeno 2 docenti, e ciascun esame si terrà in presenza di almeno uno studente auditore.

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.

 REMOTE EXAMS: in concurrence with the COVID-19 emergency situation, and in compliance with the rectoral decree rep. 1097/2020 of 20/03/2020, the exams will be organized with the above-described modalities, by adopting the Webex tele-conference platform. In particular, following a consolidated procedure, each evaluation commission will be composed by at least two teachers, and at least one student will participate as witness.

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Attività di supporto

Attività in laboratorio:

- caratterizzazione di una cella fotovoltaica;

- caratterizzazione di una giunzione p-n a temperatura ambiente e in funzione della temperatura.

 DIDATTICA ALTERNATIVA: In caso l'emergenza COVID-19 dovesse protrarsi al periodo previsto per le attività di laboratorio (15/04 - 15/05), il modulo di laboratorio del corso sarà erogato in modalità a distanza. Le modalità di erogazione di questa offerta didattica sostitutiva sono attualmente allo studio del docente, che ne darà tempestiva comunicazione agli studenti.

Laboratory activities:

- characterization of a photovoltaic cell;

- charcaterization of a p-n junction at room temperature and at variable temperature.

 ATTIVITÀ LABORATORIALI A DISTANZA: In case the COVID-19 emergency situation extends to the period of the laboratory activities (15/04 - 15/05), the laboratory part of the course will be delivered in remote mode. The modalities of this alternative teaching offer are currently being developed by the teacher, who will promptly update the students as soon as they are ready for fruition.

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Programma

- Statistica dei portatori in semiconduttori intrinseci ed estrinseci

- Teoria di Shockley-Read-Hall

- Meccanismi di trasporto nei semiconduttori

- Giunzione p-n: derivazione della legge del diodo, diodo non ideale

- Fisica e aspetti tecnologici dei dispositivi fotovoltaici

- Giunzione metallo-semiconduttore: diodo Schottky

- Tecnica DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy)

- Transistors: giunzione bipolare, JFET, MOSFET

- Dispositivi "Charge coupled device" (CCD)

- Sistemi a bassa dimensionalità (quantum well, quantum wire, quantum dot)

- 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

- Deep level transient spectroscopy

- Transistors: bipolar junction, JFET, MOSFET

- Charge coupled devices

- Low dimensionality system (quantum wells, quantum wire, quantum dots)

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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

[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

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Orario lezioni

GiorniOreAula
Lunedì9:00 - 13:00
Martedì9:00 - 13:00
Giovedì9:00 - 13:00
Venerdì9:00 - 13:00

Lezioni: dal 22/04/2020 al 12/06/2020

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Note

IMPORTANTE: a partire dall'anno accademico 2019-2020, i contenuti didattici del corso e le informazioni sul calendario delle lezioni saranno accessibili presso la pagina e-learning del corso stesso.

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Ultimo aggiornamento: 13/04/2020 10:20
Location: https://fisica.campusnet.unito.it/robots.html
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