SEMICONDUCTOR PHYSICS AND TECHNOLOGY

L'obiettivo del presente insegnamento è fornire agli studenti le conoscenze di base e lo stato dell’arte di alcuni temi di Fisica dei semiconduttori e della Tecnologia ad essi correlata. L’approccio seguito è di tipo teorico-osservativo. Durante il corso lo studente comprenderà i principali concetti alla base della Fisica dei Semiconduttori e i meccanismi fisici fondamentali che governano alcuni dispositivi elementari basati su semiconduttori.

In riferimento ai temi trattati di Fisica e Tecnologia dei Semiconduttori, il corso promuoverà le seguenti competenze:

- Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding). Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Moderna sia negli aspetti teorici che di laboratorio e delle loro interconnessioni, anche in ambiti interdisciplinari. Adeguata conoscenza degli strumenti matematici e informatici avanzati di uso corrente nei settori della ricerca di base e applicata. Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e del procedimento della ricerca in Fisica.

- Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding). Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste. Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute in altri ambiti a nuovi problemi (problem solving). Capacità di progettare e di mettere in atto procedure sperimentali e teoriche per risolvere problemi della ricerca accademica e industriale o per il miglioramento dei risultati esistenti.

- Autonomia di giudizio (making judgements). Capacità di lavorare con crescenti gradi di autonomia, anche assumendo responsabilità nella programmazione e nella gestione di progetti. Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ambito di gruppi di lavoro. Sviluppo del senso di responsabilità attraverso la scelta dei corsi opzionali e dell'argomento della tesi di laurea.

- Abilità comunicative (communication skills). Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica. Capacità di presentare una propria attività di ricerca o di rassegna a un pubblico di specialisti o di profani.

- Capacità di apprendimento (learning skills). Capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze. Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo prescelto che in campi scientificamente vicini. Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca.

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 seminari specifici e visite ai laboratori di ricerca presenti al DFA per approfondire specifici argomenti del corso.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto
dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

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

• Tecnologie correlate ai semiconduttori

Dispositivi a base di Si: Legge di Moore, Litografia, Impiantazione ionica, Diffusione termica

Oltre il Si: dispositivi di potenza a base di SiC e GaN

Sensori a semiconduttori (definizione, proprietà, meccanismi e vantaggio della nanostrutturazione). Interfaccia semiconduttore/gas: stati di superficie, adsorbimento, effetto chemoresistivo

Sensori di gas a semiconduttore: cinetica di adsorbimento, tempi di risposta, esempi di nanostrutture. Sensori UV.

Interfaccia semiconduttore/liquido. Celle elettrochimiche, reazioni redox: equazione di Nernst; elettrodi di riferimento; electrical double layer

Voltammetria ciclica e spettroscopia a impedenza elettrochimica applicate a semiconduttori

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 domande relative a punti qualificanti delle varie parti del programma si tende ad accertare il livello di conoscenza complessiva acquisita dal candidato, la sua capacità di affrontare criticamente gli argomenti studiati e di mettere in correlazione le varie parti del programma. Gli studenti potranno iniziare l’esame con l’esposizione di un argomento a loro scelta, esposto a voce, mediante tesina o presentazione ppt, al fine di valutare anche le capacità di esposizione e comunicazione.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Criteri per l’attribuzione del voto finale:

Alla formulazione del voto finale concorreranno in egual misura la padronanza mostrata nelle argomentazioni qualitative e quantitative, la visione critica degli argomenti affrontati durante il corso e la capacità di mettere in correlazione le varie parti del programma.

DATE D'ESAME

Consultare il Calendario di Esami del Corso di Laurea Magistrale in Fisica: http://www.dfa.unict.it/corsi/LM-17/esami

PROVE IN ITINERE

Non previste

Statistica dei portatori in semiconduttori drogati

Assobimento di luce da portatori liberi

Massa efficace

Giunzione pn

Sensori di gas a semiconduttori - Interfaccia gas/semiconduttore

Sensori elettrochimici - Interfaccia liquido/semiconduttore