SEMICONDUTTORI E SUPERCONDUTTORI

L'obiettivo del presente insegnamento è fornire agli studenti le conoscenze avanzate della Fisica dei materiali semiconduttori e dei materiali superconduttori e di qualche dispositivo basato su di essi.

Conoscenza di base di Struttura della Materia e di Meccanica Quantistica

Frequenza obbligatoria

Semiconduttori (3 crediti)

• Bande di Energia e Livelli Elettronici

Struttura e proprietà generali dei semiconduttori - Gas di Fermi - Schema a bande – Metalli, isolanti e semiconduttori - Densità degli stati e massa efficace - Elettroni e lacune – Proprietà elettroniche di difetti e impurezze - Concentrazione di portatori di carica all'equilibrio - Accettori e donatori - Legge di azione di massa - Dipendenza dei portatori di carica dalla temperatura - Conducibilità elettrica, scattering, mobilità e dipendenze dalla temperatura

• Generazione, Ricombinazione e Diffusione

Semiconduttori in condizioni di non equilibrio - Iniezione ed estrazione di portatori minoritari – Corrente di diffusione - Processi di generazione e ricombinazione - Ricombinazione banda a banda - Ricombinazione Shockley, Read & Hall - Ricombinazione Auger- Tempo di vita –Determinazione sperimentale della concentrazione dei portatori e della loro mobilità- Esperienza di Haynes Shockley - Relazione di Einstein

• Proprietà Ottiche

Assorbimento da portatori liberi - Transizioni ottiche dirette ed indirette - Eccitoni - Emissione di luce – Semiconduttori binari, ternari e quaternari - Proprietà ottiche di eterostrutture e nanostrutture

• Dispositivi MOS

Sistema metallo\ossido\semiconduttore - Capacità del MOS - Tensione di banda piatta - Conduttanza di canale –Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET): principi di funzionamento e caratteristiche corrente tensione - Memorie volatili e non volatili

Superconduttori (3 crediti)

• Effetti caratteristici dei superconduttori e teorie fenomenologiche

Resistenza nulla, effetto Meissner, quantizzazione del flusso - Modello di Gorter Casmir - Teoria elementare dei London della elettrodinamica dei superconduttori - Teoria di Ginzburg Landau.

• Teoria microscopica di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)

Coppie di Cooper, origine della interazione attrattiva ed “s-wave pairing” - Stato fondamentale BCS - Struttra a bande e gap superconduttiva, densità degli stati - Effetti a temperatura finita: temperatura critica - Lunghezza di penetrazione - Tunnel elettronico e di coppie di Cooper – Effetto Josephson - Effetto Josephson in presenza di un flusso magnetico: Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID).

• Argomenti a carattere monografico

Effetto Josephson in giunzioni mesoscopiche - Atomi artificali superconduttivi – Cenni di superconduttività ad alta temperatura - Fenomenologia e modello classico di Lawrence Doniach per i superconduttori stratificati - “d-wave pairing”.

B. Sapoval, C. Hermann - Physics of Semiconductors - Springer-Verlag

S.M. Sze - Physics of Semiconductor Devices - Wiley

Michael Tinkham - Introduction to Superconductivity: Second Edition - Dover Books on Physics

Lo scopo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati. Essa consiste in una prova orale.