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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2017/2018
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 085999 - ELETTRONICA DELLO STATO SOLIDO
Docente Ielmini Daniele
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (357) INGEGNERIA ELETTRONICA*AZZZZ085999 - ELETTRONICA DELLO STATO SOLIDO
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (487) MATHEMATICAL ENGINEERING - INGEGNERIA MATEMATICA*AZZZZ085999 - ELETTRONICA DELLO STATO SOLIDO

Programma dettagliato e risultati di apprendimento attesi

Obiettivi del corso

 

L'elaborazione delle informazioni nella società odierna avviene mediante circuiti a stato solido basati su una particolare classe di materiali, i semiconduttori. Le proprietà dei semiconduttori ed il comportamento dei dispositivi elettronici si possono prevedere soltanto sulla base di concetti della fisica moderna quali la meccanica quantistica, la teoria a bande dei solidi e la statistica di Fermi. L'obiettivo del corso è l'introduzione alla teoria quantistica dei materiali solidi che presiede al trasporto nei semiconduttori. A tale scopo, il corso si articola in due fasi: nella prima viene descritta la meccanica quantistica, indispensabile alla descrizione della fisica degli elettroni a livello atomico e molecolare. Nella seconda fase si introdurrà la teoria quantistica a bande, il trasporto e la statistica dei portatori nei semiconduttori, con ampio riferimento alla fisica dei dispositivi elettronici.

 

Programma del corso

 

1) Introduzione (2 ore di lezione): dispositivi elettronici allo stato solido, distinzione dei materiali impiegati: metalli, isolanti e semiconduttori, la microelettronica e la nanoelettronica

 

2) I limiti della fisica classica nel mondo microscopico (8 ore di lezione+ 4 ore di esercitazione)

•2.1 Radiazione di corpo nero: il postulato di Planck

•2.2 Effetto fotoelettrico ed effetto Compton

•2.3 Diffrazioni da particelle: l'ipotesi di Bohr, il dualismo onda-particella, il postulato di DeBroglie

 

3). Le funzioni d'onda (8 ore di lezione + 4 ore di esercitazione)

•3.1 L'equazione di Schrodinger: gli operatori, l'equazione dipendente dal tempo, l'equazione stazionaria

•3.2 Autovalori, autostati e autofunzioni: normalizzazione, parità, ortogonalità e completezza, principio di espansione

•3.3 L'interpretazione probabilistica ed il principio di indeterminazione

 

4) L'equazione di Schrodinger in una dimensione (8 ore + 6 ore di esercitazione)

•4.1 La particella libera: flusso quantistico, riflessione e trasmissione ad una barriera di potenziale, tunneling attraverso una barriera di potenziale, approssimazione WKB

•4.2 La particella confinata: autostati in una buca di potenziale, l'oscillatore armonico, cenni alle autofunzioni in 2/3 dimensioni).

 

5) Struttura della materia (10 ore di lezione + 6 ore di esercitazione)

•5.1 Concetto di reticolo: stato cristallino e stato amorfo

•5.2 La teoria a bande: teorema di Bloch, relazione di dispersione, modello di Kronig-Penney, modello di weak binding, modello di tight binding, gap di energia, metalli e semiconduttori

 

6) Semiconduttori intrinseci all'equilibrio (8 ore di lezione + 4 ore di esercitazione)

•6.1 Banda di conduzione e banda di valenza: elettrone e lacuna, densità di stati

•6.2 La distribuzione dei portatori: la statistica di Fermi, definizione di energia di Fermi, la concentrazione intrinseca, generazione e ricombinazione

 

7) Semiconduttori estrinseci (4 ore di lezione + 6 ore di esercitazione)

•7.1 Drogaggio da impurezze: energia di legame, posizione del livello di Fermi, portatori maggioritari e minoritari

•7.2 Effetto del freeze-out, compensazione, degenerazione

 

8) Il trasporto di carica (8 ore + 6 ore di esercitazione)

•8.1 Trasporto per deriva: la teoria semiclassica, effetti di scattering, tempi di rilassamento, la velocità di deriva, concetto di massa efficace, massa DOS e massa di conduzione

•8.2 Mobilità: effetto Hall, saturazione della velocità

•8.3 Trasporto per diffusione: equazione di Einstein

•8.4 Equazione di continuità

 

9) Semiconduttori fuori equilibrio (4 ore di lezione + 4 ore di esercitazione)

•9.1 Condizioni di debole iniezione: distribuzione dei portatori fuori equilibrio e concetto di livello di quasi Fermi

•9.2 Effetti di alto campo elettrico

 

Esercitazioni: saranno svolte 40 ore di esercitazione volte alla soluzione di problemi numerici applicando la teoria quantistica con opportune approssimazioni, ove necessario.

 

Prerequisiti del corso: Si suppongono noti gli argomenti dei corsi di matematica e fisica


Note Sulla Modalità di valutazione

L'esame consiste in una prova scritta e, a discrezione del docente, una prova orale. Le prove riguarderanno gli argomenti trattati a lezione e a esercitazione.


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaEisberg/Resnick, Quantum Physics, Editore: John Wiley & Sons Inc, ISBN: 978-0471873730
Risorsa bibliografica facoltativaR. F. Pierret, Advanced Semiconductor Fundamentals , Editore: Prentice Hall./Pearson Education, ISBN: 978-0130617927

Mix Forme Didattiche
Tipo Forma Didattica Ore didattiche
lezione
60.0
esercitazione
40.0
laboratorio informatico
0.0
laboratorio sperimentale
0.0
progetto
0.0
laboratorio di progetto
0.0

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.5 / 1.6.5
Area Servizi ICT
25/11/2020