L'obiettivo del corso è di fornire conoscenze di base riguardati la fisica dello stato solido, con particolare riguardo ai materiali semiconduttori massivi e a film sottile, nonchè alle recenti
nanotecnologie. Sono previste misure in laboratorio di misura di proprietà elettriche di materiali e dispositivi a semiconduttore.
C. Kittel INTRODUZIONE ALLA FISICA DELLO STATO SOLIDO
Casa editrice Ambrosiana 2008
Isbn 978-8808-18362-0
appunti del corso sulla pagina web
http://www2.de.unifi.it/Fisica/Bruzzi/fss.html
Obiettivi Formativi
- Conoscere e padroneggiare le implicazioni della struttura periodica spaziale nei confronti delle onde, sia elettromagnetiche che elettroniche
- Possedere una adeguata conoscenza delle principali proprietà elettroniche e ottiche dei materiali semiconduttori ed isolanti.
- Possedere una buona padronanza dei fenomeni fisici su cui si basano i principali dispositivi a semiconduttore.
Prerequisiti
Conoscenze della fisica di base riguardanti meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica, onde, fondamenti di meccanica quantistica.
Metodi Didattici
Sono previste lezioni e attivita' di laboratorio
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale sugli argomenti trattati nel corso
Programma del corso
1-STRUTTURE PERIODICHE . Struttura cristallina. Reticolo spaziale e unità base. Reticolo reciproco e sue proprietà. Diffrazione di raggi X, neutroni ed elettroni. Reticolo reciproco.
2-ELETTRONI NEI METALLI: Teoria dell'elettrone libero classica (Drude) e quantistica (Sommerfeld). Calcolo dell'energia di Fermi, velocità ed energia totale per elettroni liberi. Statistica di Fermi-Dirac e calcolo del contributo elettronico al calore specifico.
3-ELETTRONI NEL POTENZIALE PERIODICO DEL CRISTALLO: Teorema di Bloch, elettroni in potenziale periodico debole, formazione delle bande di energie, energie non permesse (band-gap). Formazione delle bande di tipo s e p ( e loro ibridi) in semiconduttori del gruppo IV. Numero di stati in una banda di energia, definizione del momento dell'elettrone nel cristallo e massa efficace. Definizione di buche. Costruzione della superficie di Fermi: schema della zona estesa e ridotta. Proprieta' elettroniche (struttura a bande) di vari tipi di materiali: isolanti, semiconduttori, metalli.
4-CLASSIFICAZIONE DEI SOLIDI: Occupazione degli stati nelle varie bande: metalli, semiconduttori, isolanti, semi-metalli. Livello di Fermi e superficie di Fermi, proprietà elettroniche di varie classi di solidi: metalli alcalini, metalli nobili, metalli di transizione. Coesione nei solidi: gas nobili, potenziale di Lennard-Jones, energia totale e proprietà di equilibrio . Solidi ionici, costante di Madelung, proprietà di equilibrio.
5-VIBRAZIONI RETICOLARI . Onde elastiche nei mezzi continui. Vibrazioni della catena lineare a base semplice e composta. Vibrazioni di un reticolo tridimensionale (cenni). Il concetto di fonone. Curve di dispersione. Contributo reticolare al calore specifico.
6-TEORIA DEL TRASPORTO: Approssimazione del tempo di rilassamento ed approssimazioni fondamentaLi, equazioni del moto. Corrente, contributi da bande non completamente piene. Mobilità.
7-MATERIALI SEMICONDUTTORI: richiamo della struttura a bande, stati di impurezze in semiconduttori, drogaggi. Statistica per i portatori di semiconduttori intrinseci e drogati. Concentrazione dei portatori in funzione della temperatura, conducibilita', effetto Hall e masse efficaci. Il trasporto nei semiconduttori: equazione di continuita', diffusione, ricombinazione e generazione di coppie di portatori.
8-SEMICONDUTTORI NON-OMOGENEI: giunzione p-n all'equilibrio e polarizzata, livello di Fermi, zona di svuotamento,effetti capacitivi, andamento della corrente. Giunzioni metallo/semiconduttore: effetto Schottky, stati di interfaccia, barriera Schottky e contatti ohmici. Eterostrutture: allineamento dei potenziali, valence band-offset. Applicazioni
9-INTRODUZIONE ALLE NANOTECNOLOGIE: effetti effetti di quantizzazione sugli stati elettronici dovuti al confinamento spaziale, pozzi quantici, nanofili, quantum dots, applicazioni dei materiali nano strutturati.
10-ATTIVITA' DI LABORATORIO: Proprietà elettriche di materiali semiconduttori, caratteristica I-V di giunzioni ed etero giunzioni, misura dell'efficienza di celle solari di I , II e III generazione.