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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
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

Obiettivi dell'insegnamento

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.


Risultati di apprendimento attesi

Dopo questo corso, sulla base dei descrittori di Dublino (DdD), gli studenti saranno in grado di:

DdD 1: (conoscenza e comprensione)

  • comprensione del formalismo della meccanica quantistica,
  • comprensione del diverso comportamento dei materiali rispetto alla conduzione elettrica, riconducendolo alla teoria a bande dei solidi,
  • comprensione delle proprietà di trasporto nei semiconduttori sulla base dei meccanismi di drift, diffusione, generazione e ricombinazione,
  • comprensione delle proprietà ottiche dei semiconduttori sulla base della struttura a bande,
  • comprensione del comportamento di semplici dispositivi elettronici.

DdD 2: (capacità di applicare conoscenza e comprensione)

  • soluzione di semplici problemi di meccanica quantistica,
  • soluzione di semplici problemi di trasporto nei semiconduttori

 

 

 

 

 


Argomenti trattati

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 31 ore di esercitazione volte alla soluzione di problemi numerici applicando la teoria quantistica con opportune approssimazioni, ove necessario.

Laboratorio informatico: saranno svolte 9 ore di laboratorio informatico per illustrare la soluzione al calcolatore di problemi numerici applicando la teoria quantistica e la fisica dei semiconduttori.


Prerequisiti

Prerequisiti del corso sono i corsi di fisica di base (meccanica, elettromagnetismo ed ottica) ed i corsi di analisi matematica (studio di funzione, soluzione di equazioni differenziali).


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, a esercitazione, e nelle sessioni di laboratorio.


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

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
60:00
90:00
Esercitazione
30:00
45:00
Laboratorio Informatico
10:00
15:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

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
24/10/2020