Modelli a elettroni liberi per i metalli: modello di Drude, gas di Fermi, modello di Sommerfeld. Elettroni in potenziali periodici: teorema di Bloch, bande di energia, massa efficace, elettroni e lacune. Semiconduttori omogenei.
I semiconduttori: crescita dei materiali e drogaggio.
Trasporto di carica e processi di ricombinazione
La giunzione pn e principali dispositivi a base della giunzione pn.
Le nanostrutture e esempi di dispositivi con nanostrutture.
N.W. Ashcroft and N.D. Mermin. Solid State Physics.
B.Sapoval, C.Hermann:Physics of Semiconductors (Springer-Verlag 1995)
M.Grundmann:The Physics of Semiconductors (Springer 2006)
P.Harrison: Quantum wells, Wires and Dots (Wiley 2005)
Obiettivi Formativi
Principi fondamentali della fisica dello stato solido i e nanostrutture. Concetti basilari su dispositivi a semiconduttore
Prerequisiti
Conoscenza di concetti base di Meccanica Quantistica e di Fisica della Materia
Metodi Didattici
Lezioni frontali; 6 CFU, 48 h.
Altre Informazioni
Ricevimento studenti: su richiesta dal lunedi’ al venerdi’
Sito web :piattaforma Moodle http://e-l.unifi.it/
Modalità di verifica apprendimento
L'esame si tiene in forma orale, alla lavagna e ha una durata media
di circa 45 minuti. Allo studente sarà richiesto di esporre e discutere 2-3 argomenti, in modo da coprire le principali parti
del programma dedicate ai concetti base della fisica dei solidi ed alle nanostrutture e dispositivi a semiconduttore.
Lo studente dovrà dimostrare di conoscere i vari
fenomeni fisici oggetto del programma, di essere in grado di descrivere
e riprodurre eventuali dimostrazioni o calcoli, nonché di svolgere stime
di ordini di grandezza delle quantità fisiche rilevanti.
La valutazione terrà conto della padronanza della materia e della capacità di elaborazione/approfondimento dimostrate dallo studente.
Programma del corso
Modello di Drude per i metalli e proprietà di trasporto; gas di Fermi a T finita, espansione di Sommerfeld, conducibilità elettrica e termica. Richiami di cristallografia: reticolo diretto e reciproco. Potenziali periodici: teorema di Bloch e teoria delle bande: potenziale debole e cenno al tight-binding; schemi a zona ridotta, ripetuta e estesa; superfici di Fermi, Dinamica semiclassica degli elettroni di Bloch; massa efficace, oscillazioni di Bloch, lacune, conduttori, isolanti semiconduttori. Semiconduttori omogenei: gap diretto e indiretto, densità dei portatori di carica all'equilibrio termico, legge di azione di massa, potenziale chimico, semiconduttori drogati, livelli di impurezza..
Crescita di semiconduttori e tecniche di drogaggio. Processi di generazione e ricombinazione in semiconduttori: vita media dei minoritari
Semiconduttori inomogenei: corrente di diffusione e leggi di Fick.Espressione generalizzata della corrente in un semiconduttore
Iniezione laterale.
Giunzione pn : condizioni di equilibrio
Giunzione pn polarizzata:Legge di Shockley
Principali applicazioni della giunzione pn: fotodiodi, emettitori LED e Laser,celle solari.
Giunzione metallo-semiconduttore : diodo Schottky e contatto ohmico.
Giunzione metallo-ossido-semiconduttore: la CCD.
Eterogiunzioni. Crescita di nanostrutture: autoaggregazione.
Nanostrutture a confinamento quantistico: pozzi quantici e punti quantici.
Alcuni esempi di dispositivi basati su nanostrutture:emettitori di singolo fotone. dispositivi a effetto tunnel.