SEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY

L'obiettivo del presente insegnamento è fornire agli studenti le conoscenze di base ed avanzate della Fisica dei materiali semiconduttori e della Tecnologia ad essi correlata.

Il corso si svolge prevalentemente tramite lezioni frontali su lavagna interattiva multimediale. Il materiale prodotto sulla LIM viene messo a disposizione degli studenti attraverso la piattaforma STUDIUM.

In alcune occasioni si prevede di svolgere visite ai laboratori di ricerca presenti al DFA per approfondire argomenti del corso.

Conoscenza di base di Struttura della Materia e di Meccanica Quantistica

Frequenza obbligatoria

• Bande di Energia e drogaggio

Struttura e proprietà generali dei semiconduttori - Formazione della banda proibita - Schema a bande di energia - Metalli, isolanti e semiconduttori

Densità degli stati e massa efficace - Elettroni e lacune

Statistica dei semiconduttori intrinseci - Legge di azione di massa - Drogaggio - Neutralità di carica

Statistica dei semiconduttori drogati - Compensazione - Ionizzazione dei livelli droganti - Dipendenza dei portatori di carica dalla temperatura

• Proprietà elettriche ed ottiche

Conducibilità elettrica, scattering, mobilità e dipendenze dalla temperatura - Relazione di Einstein

Processi di generazione e ricombinazione - Ricombinazione banda a banda - Ricombinazione Shockley, Read & Hall - Determinazione sperimentale della concentrazione dei portatori e della loro mobilità- Esperienza di Haynes Shockley

Assorbimento di luce da portatori liberi - Transizioni ottiche dirette

Transizioni ottiche indirette - Eccitoni - Emissione di luce - Semiconduttori binari, ternari e quaternari - Proprietà ottiche di eterostrutture e nanostrutture

• Semplici dispositivi a semiconduttore

Diodo Schottky

Sistema metallo\ossido\semiconduttore - Capacità del MOS - Tensione di banda piatta -

Giunzione pn all'equilibrio: piegamento delle bande, regione di svuotamento, campo e potenziale interno

Giunzione pn fuori dall'equilibrio: polarizzazione diretta e inversa, iniezione ed estrazione di minoritari, legge di Shockley caratteristica corrente-tensione

Giunzione pn: quasi livello di Fermi, curva capacità-tensione, rottura della giunzione (instabilità termica, effetto Zener, portatori caldi), transiente polarizzazione giunzione

Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET): principi di funzionamento e caratteristiche corrente tensione - Sensori di luce e di gas a semiconduttori

• Tecnologie correlate ai semiconduttori

Tecniche di drogaggio - Impiantazione ionica

Litografia - diffusione termica

Legge di Moore - RIE (reactive ion etching), camere pulite, acqua deionizzata - Memorie volatili e non volatili

Dispositivi di potenza

Celle elettrochimiche - Elettrodi - leggi di Faraday - cinetica di reazione

Elettrodeposizione - Legge di Nernst-Einstein - EIS (spettroscopia a impedenza elettrochimica)

Voltammetria ciclica e transiente

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

S.M. Sze - Physics of Semiconductor Devices (3rd edition) - Wiley

L. Colombo - Fisica dei semiconduttori - Zanichelli

K. B. Oldham, J. C. Myland - Fundamentals of Electrochemical Science - Academic Press

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

Statistica dei portatori in semiconduttori drogati

Assobimento di luce da portatori liberi

Massa efficace

Giunzione pn

EIS