FISICA DEI SEMICONDUTTORI

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1 FISICA DEI SEMICONDUTTORI Maristella Fracastoro Liceo Volterra Ciampino

2 Seminari di Fisica Moderna Fisica dei semiconduttori (M. Fracastoro) Relatività ristretta (E. Giaché) Relatività generale (V. Fafone) Meccanica quantistica (O. Di Biagio)

3 Perché questi seminari di fisica? Progetto Fisica Moderna (dal 2003 in questa scuola) Scopi: Diffondere la conoscenza delle tematiche di cui si interessa la Fisica oggi Costituire uno spunto per approfondimenti da realizzare in classe e/o per eventuali tesine di maturità Incentivare l interesse verso le Facoltà scientifiche (progetto Lauree Scientifiche, con l Università di Tor Vergata - iniziato nel per poche scuole pilota, tra cui la nostra) Naturalmente..

4 Perché questi seminari di fisica? Naturalmente non possiamo dare conoscenze approfondite, ma ci piacerebbe che usciste con qualche informazione in più di quando siete entrati! Per questo, alla fine vi verrà proposto un questionario!!

5 Le tappe principali della Fisica classica Galileo ( ): metodo sperimentale Newton, 1687: Philosophiae naturalis principia mathematica Carnot, Kelvin, Clausius, Mayer, Boltzmann (XIX secolo): Principi della Termodinamica Maxwell, 1873: Treatise on electricity and magnetism

6 Crisi della Fisica classica Alla fine dell 800, proprio quando si era raggiunta una sintesi dell elettromagnetismo ad opera di Maxwell, nuovi problemi sono in agguato. Infatti: Come spiegare: L effetto fotoelettrico? Lo spettro del corpo nero? Dove trovare: Il sistema di riferimento in cui la luce aveva la velocità prevista dalle equazioni di Maxwell?

7 FISICA MODERNA (1900) Relatività Meccanica Quantistica

8 FISICA MODERNA (1900) Relatività Fisica delle particelle elementari Meccanica Quantistica Fisica della materia condensata

9 Fisica della materia condensata Proprietà ottiche, elettriche, meccaniche, magnetiche dei materiali: Semiconduttori Superconduttori Materiali ferromagnetici Nanotecnologie e nanoscienze

10 Semiconduttori Che cosa sono e quali sono le loro applicazioni? Sono materiali con una conducibilità intermedia tra quella di un buon conduttore e quella di un buon isolante Possono essere usati, tra l altro, per le seguenti applicazioni: Diodi, transistor, laser, LED Celle solari

11 Breve storia dei semiconduttori Sono stati scoperti da Faraday nel 1833, poiché sono materiali con un comportamento anomalo della conducibilità in funzione della temperatura (la resistività diminuisce all aumentare della temperatura, anziché aumentare, come nei normali conduttori).

12 Resistenza elettrica R = ρ l / S (2a legge di Ohm) l = lunghezza del conduttore; S = sezione del conduttore; ρ = ρ 0 (1 + α t) è la resistività del materiale. Nei conduttori essa aumenta all aumentare della temperatura (α positivo). Invece, nei semiconduttori, essa diminuisce all aumentare della temperatura (α negativo). In altre parole, la conducibilità migliora, anziché peggiorare, all aumentare di t.

13 Semiconduttori Sono stati sviluppati negli anni dal 1940 in poi: Bardeen, Shockley e Brattain inventarono il primo transistor nel 1947 (Nobel nel 1956).

14 Il primo transistor al Silicio

15 I semiconduttori hanno rivoluzionato la nostra vita pratica!

16 Caratteristiche particolari dei semiconduttori Possono essere drogati La loro conducibilità può essere controllata a seconda del grado di drogaggio Possono costituire la base per dispositivi di stato solido che sostituiscono le vecchie valvole termoioniche, con grande economia di costi e di spazio

17 Silicio il semiconduttore più diffuso e studiato

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19 Silicio: il semiconduttore più diffuso e studiato

20 Struttura di un semiconduttore Esempio: cristallo di Si tipico Il Si puro (o intrinseco) possiede nello strato più esterno 4 elettroni di valenza, che formano 4 legami covalenti con gli atomi vicini. Allo stato puro, il Si non è un buon conduttore, perché non vi sono elettroni liberi per la conduzione. Però. si può ricorrere al drogaggio, migliorando la conduzione del Si tramite l inserimento di atomi di elementi diversi.

21 Drogaggio del Silicio Drogaggio (doping) = introduzione di atomi di un altro elemento nel cristallo di silicio per modificarne le proprietà elettriche.

22 Il silicio appartiene al IV gruppo della tabella di Mendeleev

23 Drogaggio del silicio Drogaggio (doping) = introduzione di atomi di un altro elemento nel cristallo di silicio per modificarne le proprietà elettriche. Il materiale drogante, con 5 elettroni di valenza (fosforo), rispetto ai 4 del Si, ha un elettrone in più, che può essere ceduto facilmente alla rete: il Si si dice drogato tipo-n. Il materiale drogante, con 3 elettroni di valenza (boro), rispetto ai 4 del Si, ha un elettrone in meno (una lacuna in più) che può essere occupata da un elettrone vicino: il Si si dice drogato tipo-p.

24 Silicio tipo n Il materiale drogante, con 5 elettroni di valenza (fosforo), rispetto ai 4 del Si, ha un elettrone in più, che può essere ceduto facilmente alla rete: Il Si si dice drogato tipo-n.

25 Silicio tipo p Il materiale drogante, con 3 elettroni di valenza (boro), rispetto ai 4 del Si, ha un elettrone in meno (una lacuna in più) che può essere occupata da un elettrone vicino: Il Si si dice drogato tipo-p.

26 Posto vuoto Auto Moto di una lacuna Moto delle auto Moto delle lacune Il posto vuoto si sposta nel verso opposto a quello delle auto La lacuna si sposta nel verso opposto a quello degli elettroni

27 Esempio di semiconduttore drogato: il diamante blu Il diamante Hope il diamante blu più grande al mondo ha più di un miliardo di anni. E un semiconduttore drogato, formatosi nelle viscere della Terra e portato in superficie da un eruzione vulcanica nell attuale Golconda, in India. Dall epoca in cui è stato trovato, ai primi del 600, il diamante ha avuto alterne vicende. Ai primi dell 800 fu venduto al re Giorgio IV d Inghilterra e quando questi morì, nel 1830, i suoi debiti erano talmente enormi che il diamante venne venduto tramite canali privati. Nel 1839 la gemma entrò a far parte della ben nota collezione di Henry Philip Hope, l uomo da cui prese il nome.

28 Giunzione pn Ponendo a contatto fra loro una lamina di silicio tipo p (p-si) e una di silicio tipo n (n-si), si ha il passaggio di elettroni dalla seconda lamina alla prima (elettroni che vanno ad occupare le lacune). In questo modo, n-si si carica positivamente mentre p-si si carica negativamente. Nella regione della giunzione, si viene a creare una barriera di potenziale tra i due tipi di Si, che impedisce un ulteriore passaggio di elettroni da un materiale all altro.

29 Giunzione pn

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31 Giunzione pn Giunzione all equilibrio La corrente passa Giunzione polarizzata direttamente La corrente non passa Giunzione polarizzata inversamente

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34 Giunzione pn come diodo La giunzione pn costituisce la base di un diodo (raddrizzatore di corrente). Infatti: Tramite l applicazione di una d.d.p. esterna, la barriera di potenziale può essere abbassata o alzata. Nel primo caso, altri elettroni possono fluire attraverso la barriera e quindi passa corrente. Nel secondo caso, gli elettroni non possono passare attraverso la giunzione e la corrente non fluisce. Dunque: si ha passaggio di corrente solo in un verso.

35 In conclusione: Unendo fra loro n-si + p-si si ottiene una giunzione pn Nella giunzione pn la corrente passa solo in un verso e non nel verso opposto Quindi: la giunzione pn funge da raddrizzatore di corrente (diodo)

36 Storia del Silicio Un moderno circuito integrato

37 Altri usi delle giunzioni pn LED: Light emitting diodes Funzionano all inverso di una cella FV: Un elettrone si ricombina con una lacuna, emettendo un fotone, il cui colore dipende dalla lunghezza d onda: Rosso, giallo, verde recentemente è stato realizzato anche il blu (e il bianco come sovrapposizione di colori).

38 OLED Organic Light-Emitting Diodes

39 Confronto tra gli OLED e altre fonti tradizionali di illuminazione

40 Cella solare fotovoltaica

41 Cella solare

42 Giunzione pn e cella solare fotovoltaica Quando la luce colpisce una giunzione pn, ogni fotone estrae un elettrone dal suo livello energetico e lo porta ad un livello maggiore: si crea una coppia elettronelacuna. Se questo processo avviene vicino alla barriera di potenziale, questa separa le cariche, che fluiscono ai contatti esterni costituendo una corrente elettrica. Conclusione: la luce è stata trasformata in una corrente elettrica

43 M1 Funzionamento di una cella solare fotovoltaica 1) Un fotone di energia appropriata viene assorbito dal Silicio vicino alla giunzione pn Silicio tipo n 2) Si crea una coppia elettrone-lacuna Giunzione Silicio tipo p 3) La barriera di potenziale esistente nella giunzione pn separa l elettrone dalla lacuna 4) Si crea una corrente elettrica nel circuito esterno

44 Diapositiva 43 M1 Funzionamento di una cella solare fotovoltaica Ma&Flo; 27/03/2006

45 La cella fotovoltaica

46 Principi fisici n E λ E fot Spettro di un corpo nero a 5800 K, simile a quello del Sole 5800K λ Energia di un fotone al variare della sua lunghezza d onda Per un semiconduttore in silicio a 20 C una energia di 1.12 ev (equivalente a λ = 1.1 µm) è sufficiente per liberare un elettrone dalla sua banda di valenza. L elettrone e la lacuna generati dall interazione possono produrre una corrente elettrica. λ

47 Efficienza di una cella solare al Silicio I fotoni con energia inferiore a 1.12 ev (λ>1.1 µm) hanno insufficiente energia. Si perde il 23% dell energia solare. Quelli con λ<1.1 µm possono generare solo una coppia di portatori elettrone libero-lacuna, il resto produce solo il riscaldamento del semiconduttore. Come risultato si utilizza al max solo il 44 % dell energia. Ma la potenza utilizzabile in una tipica cella fotovoltaica realizzata in Silicio non supera il 25 %.

48 Una scoperta inaspettata potrebbe fornire una cella solare che usa tutto lo spettro del sole (2002) Il sistema delle leghe del tipo In1-xGaxN sfrutta tutto lo spettro solare BERKELEY, CA Materials Sciences Division (MSD) of Lawrence Berkeley National Laboratory

49 Impieghi delle celle solari Illuminazione interna irrigazione

50 Impieghi delle celle solari monitoraggio telecomunicazioni

51 Impieghi delle celle solari Satelliti

52 Auto solari

53 Solar Cells

54 Aereo solare

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56 L aereo solare NASA Helios stabilisce un nuovo record di altezza (più di m)

57 Energia: quale futuro?

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59 Torre eolica

60 La centrale fotovoltaica di Serre (Salerno) (2,3 MW)