SEMICONDUCTORS AND SUPERCONDUCTORS

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.

Statistica dei portatori in semiconduttori drogati

Assobimento di luce da portatori liberi

Massa efficace