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a Ciclo Unico
Scuola di Scienze
SCIENZA DEI MATERIALI
Insegnamento
PHYSICS AND TECHNOLOGY OF SEMICONDUCTORS
SCP9087650, A.A. 2019/20

Informazioni valide per gli studenti immatricolati nell'A.A. 2019/20

Principali informazioni sull'insegnamento
Corso di studio Corso di laurea magistrale in
SCIENZA DEI MATERIALI
SC1174, ordinamento 2015/16, A.A. 2019/20
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Curriculum Percorso Comune
Crediti formativi 8.0
Tipo di valutazione Voto
Denominazione inglese PHYSICS AND TECHNOLOGY OF SEMICONDUCTORS
Dipartimento di riferimento Dipartimento di Scienze Chimiche
Sito E-Learning https://elearning.unipd.it/chimica/course/view.php?idnumber=2019-SC1174-000ZZ-2019-SCP9087650-N0
Obbligo di frequenza No
Lingua di erogazione INGLESE
Sede PADOVA
Corso singolo È possibile iscriversi all'insegnamento come corso singolo
Corso a libera scelta È possibile utilizzare l'insegnamento come corso a libera scelta

Docenti
Responsabile DAVIDE DE SALVADOR FIS/03
Altri docenti ENRICO NAPOLITANI FIS/03

Mutuazioni
Codice Insegnamento Responsabile Corso di studio
SCP7081797 PHYSICS OF SEMICONDUCTORS DAVIDE DE SALVADOR SC2382

Dettaglio crediti formativi
Tipologia Ambito Disciplinare Settore Scientifico-Disciplinare Crediti
CARATTERIZZANTE Discipline fisiche e chimiche FIS/03 8.0

Organizzazione dell'insegnamento
Periodo di erogazione Primo semestre
Anno di corso I Anno
Modalità di erogazione frontale

Tipo ore Crediti Ore di
didattica
assistita
Ore Studio
Individuale
ESERCITAZIONE 2.0 24 26.0
LEZIONE 6.0 48 102.0

Calendario
Inizio attività didattiche 30/09/2019
Fine attività didattiche 18/01/2020
Visualizza il calendario delle lezioni Lezioni 2019/20 Ord.2015

Commissioni d'esame
Nessuna commissione d'esame definita

Syllabus
Prerequisiti: Prerequisiti matematici:
Funzioni continue. Derivate. Teoremi fondamentali del calcolo differenziale. Massimi e minimi relativi e assoluti. Funzioni trigonometriche esponenziali e logaritmiche. Studio di una funzione. Integrali definiti. Volumi di solidi di rotazione. Serie di Taylor e di Maclaurin. Numeri complessi. Esponenziale in campo complesso. Equazioni differenziali. Equazioni differenziali lineari del primo ordine e del secondo ordine. Funzioni di più variabili. Limiti. Derivate parziali. Massimi e minimi relativi. Punti di sella. Integrali doppi in coordinate polari. Volumi di solidi. Integrali tripli.Calcolo differenziale vettoriale: flusso di un campo vettoriale attraverso una superficie. Divergenza di un campo e teorema della divergenza.
Prerequisiti Fisica di Base
Legge di Coulomb. Campo elettrostatico. Potenziale elettrostatico. Legge di Gauss. Equazioni di Poisson e Laplace. Capacità; condensatore ideale.Dielettrici. Costante dielettrica. Correnti elettriche e densità di corrente. Conservazione della carica. Legge di Ohm. Effetto Joule. Campo magnetico; forza di Lorentz.
Prerequisiti Fisica Quantistica:
I quanti di luce e l'effetto foto-elettrico .Pacchetti d'onda . Il principio di indeterminazione di Heisenberg . Equazione di Shroedinger particella in una scatola. Oscillatore armonico quantistico. Valori di aspettazione . Osservabili e operatori . Incertezza quantistica e proprieta' degli autovalori. Effetto tunnel barriera quadrata. Penetrazione della barriera . Particella in una scatola tridimensionale. Atomo di idrogeno e atomi idrogenoidi: stato fondamentale e stati eccitati.Tavola periodica. Distribuzione di Maxwell–Boltzmann e densita' degli stati. Equipartizione dell'energia. Statistiche quantistiche: distribuzioni di Bose–Einstein e di Fermi–Dirac
Prerequisiti Fisica dello stato Solido
La struttura cristallina dei solidi: il reticolo diretto e il reticolo reciproco. I fononi. La conducibilita' elettrica dei metalli nel modello di Drude. Il teorema di Bloch
Conoscenze e abilita' da acquisire: Conoscenze: principi fisici alla base del comportamento dei materiali semiconduttori. L'obbiettivo del corso è fornire i concetti di base che permettano allo studente di comprendere il principio di funzionamento di un semplice dispositivo a semiconduttore. Dopo una prima parte in cui vengono introdotti i principi fisici, verranno descritti i principali dispositivi e alcuni processi fisici che servono a fabbricarli.
Lo studente alla fine del corso dovrebbe avere l'abilità di prevedere quale struttura a bande assume un semplice sistema che contenga metalli, isolanti e semiconduttori drogati e di comprendere la spiegazione di come tale struttura si comporta in presenza di sollecitazioni esterne (campi, illuminazione....).
Modalita' di esame: Esame orale. Durante il semestre sarà possibile (a discrezione dello studente) sostenere una verifica intermedia orale sulla prima parte del corso riguardante i principi fisici e sostenere alla fine una seconda parte riguardante i dispositivi e i processi.
Criteri di valutazione: Verranno valutate:
-le capacità di esporre una o più delle teorie di base che spiegano il comportamento fisico dei semiconduttori.
- la comprensione del principio di funzionamento di uno o più dispositivi a semiconduttore spiegati nel corso.
- la capacità di comprendere la struttura a bande e il comportamento elettrico di una semplice struttura contente semiconduttori drogati, metalli e isolanti.
Contenuti: Richiamo della struttura cristallina dei principali semiconduttori. Semiconduttori elementari, composti e leghe.
Richiamo di concetti di base (teorema di Bloch, massa efficace, concetto di buca).
Origine e specificità della struttura a bande dei semiconduttori. Le bande reali (esempi GaAs,Si,Ge,AlGaAs).
Il metodo della funzione inviluppo per il calcolo degli stati quantistici provenienti da potenziali aperiodici.
Il meccanismo di drogaggio. I portatori in un semiconduttore omogeneo in funzione di drogaggio e temperatura (semic. non degenere, intrinseco, ionizzato, non ionizzato, in saturazione). La compensazione da livello profondo.
Il semiconduttore non omogeneo all’equilibrio. Il caso della giunzione p-n.
Trasporto di carica nei semiconduttori. Equazione di drift-diffusione. Fenomeni di scattering intrabanda e mobilità in un semiconduttore.

I meccanismi di generazione e ricombinazione in un semiconduttore.
L’equazione di continuità. Il caso della giunzione p-n fuori equilibrio: polarizzazione e illuminazione.
Le eterogiunzioni le giunzioni metallo/semiconduttore, metallo/ossido/semiconduttore.
Il confinamento quantistico nei semiconduttori, quantum well, quantum wire, quantum dot.
LED, LED basati su GAN, fotodetector. Le archittetture dei laser a stato solido, l'effetto del confinamento quantistico sulle performance di un laser. Celle fotovoltaiche. Diverse architetture e materiali per il fotovoltaico. Efficienza. Meccanismi di perdita di efficienza. Celle a film sottile.
Tecnologie produttive.Transistor bipolare e FET. Struttura MOS.
Tecniche per il drogaggio. Impianto ionico. Diffusione e difetti.
Isolanti, ossidazione termica.
Legge di Moore e riscalamento. Problematiche e nuovi materiali.
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento: Lezione frontale con esposizione delle teorie di base e dei principi di funzionamento dei dispositivi. Esempi di approfondimento che permettano di applicare le teorie esposte e di quantificare gli ordini di grandezza dei parametri fisici coinvolti. Richiamo alle attività di laboratorio parallelamente svolte nel corso di metodi fisici di caratterizzazione dei materiali e loro connessione con la teoria.
Eventuali indicazioni sui materiali di studio: Saranno forniti i lucidi del corso
Testi di riferimento:
  • Sapoval, Physics of semiconductors. --: Springer Verlag, --. Cerca nel catalogo
  • Singh, Electronic and Optoelectronic Properties of Semiconductor Structures. --: Cambridge, --. Cerca nel catalogo
  • Sze, Simon Min, Semiconductor devicesphysics and technologyS. M. Sze. New York: J. Wiley & sons, --. Cerca nel catalogo

Didattica innovativa: Strategie di insegnamento e apprendimento previste
  • Problem based learning
  • Case study
  • Files e pagine caricati online (pagine web, Moodle, ...)

Didattica innovativa: Software o applicazioni utilizzati
  • Moodle (files, quiz, workshop, ...)

Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Energia pulita e accessibile Industria, innovazione e infrastrutture