L'obiettivo del corso è di fornire conoscenze di base riguardati la fisica dello stato solido, con particolare riguardo ai materiali semiconduttori.
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
http://www2.de.unifi.it/Fisica/Bruzzi/fss.html
Obiettivi Formativi
Vengono fornite agli studenti le nozioni necessarie alla comprensione dei fenomeni fondamentali della dinamica elettronica e reticolare nei solidi , con particolare riferimento ai materiali semiconduttori.
Prerequisiti
Conoscenze della fisica di base riguardanti meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica, onde.
Metodi Didattici
Sono previste lezioni ed attività di laboratorio
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale sugli argomenti trattati nel corso
Programma del corso
1-CENNI DI MECCANICA QUANTISTICA : corpo nero, effetto fotoelettrico, dualismo onda-materia, principio di indeterminazione di Heisenberg, equazione di Schroedinger. Applicazioni : elettrona in buca di potenziale, effetto tunnel, orbitali atomici.
2-CLASSIFICAZIONE DEI SOLIDI E STRUTTURE PERIODICHE . Coesione nei solidi: gas nobili, potenziale di Lennard-Jones, energia totale e proprietà di equilibrio . Solidi ionici, costante di Madelung, proprietà di equilibrio. Struttura cristallina. Reticolo spaziale e unità base. Cenni ai materiali policristallini ed amorfi. Reticolo reciproco e sue proprietà. Diffrazione di raggi X, neutroni ed elettroni.
3-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. Calcolo del contributo elettronico al calore specifico. 4-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.
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. Statistica di Bose Einstein. Curve di dispersione. Contributo reticolare al calore specifico.
6-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, livelli di quasi fermi.
7-SEMICONDUTTORI NON-OMOGENEI: omogiunzioni e giunzioni metallo/semiconduttore, eterostrutture: allineamento dei potenziali. Applicazioni
8-ATTIVITA' DI LABORATORIO: Proprietà elettriche di materiali, caratteristica C-V e I-V di dispositivi a semiconduttore, celle solari.