Facoltà di Anno Accademico 2018/19 Registro lezioni del docente COLOMBO LUCIANO

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1 Attività didattica Facoltà di Anno Accademico 2018/19 Registro lezioni del docente COLOMBO LUCIANO FISICA DEI SEMICONDUTTORI [IN/0027] Partizionamento: Periodo di svolgimento: Docente titolare del corso: COLOMBO LUCIANO matr Riepilogo registro docente: COLOMBO LUCIANO matr Docente interno - PROFESSORE ORDINARIO DI I FASCIA Stato registro docente: Stampato Ore inserite: 60 ore Ore previste dall'offerta didattica: 60 ore Gruppi di studenti con i quali è stata svolta l'attività - ore per gruppo - prevista per tutti gli studenti (senza gruppi associati) - 60 ore Ore inserite per tipologia di attività 60 ore lezione : - prevista per tutti gli studenti (senza gruppi associati) - 60 ore Osservazioni: Firma del docente titolare del corso: Firma del presidente: Data: Pagina 1 di 9

2 Dettaglio delle attività svolte: [] Partizionamento: 26/09/ lezione - Introduzione al corso Presentazione dettagliata del corso. In particolare: descrizione del syllabus, spiegazione delle modalita' di svolgimento delle lezioni e tutoraggi, presentazione del materiale didattico e testi di studio, descrizione delle modalita' di svolgimento delle prove di esame, dettagli sul ricevimento studenti. Comunicazione specifica per gli studenti con certificazione DSA. 01/10/ lezione - Richiami di fisica classica - parte prima Generalita' sulle grandezze fisiche. Algebra dei vettori. Elementi di cinematica del punto materiale. Elementi di dinamica del punto materiale. Lavoro di una forza e forze conservative. Energia potenziale e energia cinetica. 02/10/ lezione - Richiami di fisica classica - parte seconda Fondamenti di elettrostatica: forza coulombiana, campo elettrico, potenziale elettrostatico. Corrente elettrica: intensita' e vettore densita' di corrente. Conservazione della carica. Corrente stazionaria. Equazione di continuita' della corrente Pagina 2 di 9

3 03/10/ lezione - Struttura della materia - parte prima Gli stati di aggregazione della materia. Struttura atomistica: retrospettiva storica, verifica sperimentale, solidi e fluidi. Solidi amorfi e cristallini: l'ordine a lungo raggio. Definizione atomistica della diffusivita' (distinzione tra solidi e fluidi) e di funzione di correlazione a coppie (distinzione tra cristalli e amorfi). 08/10/ lezione - Struttura della materia - parte seconda Elementi di cristallografia: il reticolo diretto, classificazione cristallografica, la base. Strutture cristalline dei semiconduttori: diamante, zincoblenda, wurtzite, altre strutture in 2 e 3 dimensioni. 09/10/ lezione - Struttura della materia - parte terza Difetti puntuali ed estesi. Classificazione fenomenologia dei legami interatomici. 10/10/ lezione - Struttura della materia - parte quarta Diffrazione di raggi X: il reticolo reciproco. Risultati formali relativi ai vettori traslazionali reciproci e prima zona di Brillouin. Pagina 3 di 9

4 15/10/ lezione - Elementi di meccanica quantistica - parte prima Struttura atomica: esperimento di Rutherford. Nucleo, elettroni di core, elettroni di valenza. Teoria fenomenologica del legame chimico covalente. Dualismo onda-corpuscolo: esperimento di Davisson- Germer ed effetto fotoelettrico. Ipotesi di de Broglie, ipotesi di Einstein: connessioni tra quantità di moto e lunghezza d'onda e tra frequenza ed energia. 16/10/ lezione - Elementi di meccanica quantistica - parte seconda L'equazione costitutiva per le onde di materia (eq. di Schroedinger). La funzione d'onda ed il suo significato fisico. La condizione di normalizzazione. I principi di base della descrizione probabilistica quantistica. 17/10/ lezione - Elementi di meccanica quantistica - parte terza Elettrone libero: soluzione dell'equazione di Schroedinger con richiami sulle equazioni differenziali, funzione d'onda e normalizzazione, probabilità di presenza, energia, relazione di dispersione e sua rappresentazione grafica. 22/10/ lezione - Elementi di meccanica quantistica - parte quarta Elettrone in una buca di potenziale: soluzione del problema quantistico e calcolo dello spettro di energia e della funzione d'onda. Elettrone contro un gradino di potenziale: calcolo della funzione d'onda e della probabilita' di presenza dell'elettrone nelle diverse regioni spaziali. Pagina 4 di 9

5 23/10/ lezione - Elementi di meccanica quantistica - parte quinta Elettrone contro una barriera di potenziale: coefficiente di trasmissione. Il gas di elettroni liberi, ma confinati in un volume. La densita' degli stati. Lo spin dell'elettrone. 25/10/ lezione - Elementi di meccanica quantistica - parte sesta Il principio di Pauli e il criterio di riempimento dei livelli energetici elettronici. La legge di distribuzione di Fermi-Dirac: potenziale chimico ed energia di Fermi. Il fenomeno della eccitazione termica. 29/10/ lezione - Proprieta' vibrazionali dei semiconduttori - parte prima Approssimazione armonica e condizioni periodiche alla Born - Von Karman. Calcolo e rappresentazione grafica delle relazioni di dispersione per una catena monoatomica unidimensionale. Oscillazioni trasversali e longitudinali. 05/11/ lezione - Proprieta' vibrazionali dei semiconduttori - parte seconda Calcolo e rappresentazione grafica delle relazioni di dispersione per una catena biatomica unidimensionale: modi ottici e acustici. Le curve di dispersione in tre dimensioni: i casi del Si e del GaAs (dettagli: splitting LO-TO di centro-zona; bande degeneri; direzioni di alta simmetria). Quantizzazione dei moti vibrazionali: il concetto di fonone. Pagina 5 di 9

6 06/11/ lezione - Struttura elettronica dei semiconduttori - parte prima Lo schema concettuale: cristallo ideale, approssimazione "frozen core", approssimazione adiabatica, approssimazione non-magnetica, approssimazione di singola particella. Formulazione teorica del problema del calcolo della struttura elettronica di un semiconduttore. 07/11/ lezione - Struttura elettronica dei semiconduttori - parte seconda Teorema di Bloch in una e tre dimensioni. Modello di Krinig-Penney: caso unidimensionale. Il concetto di bande e di gap proibite. 19/11/ lezione - Struttura elettronica dei semiconduttori - parte terza Il modello a bande: schema di riempimento delle bande; livello di Fermi; isolanti e conduttori. Le relazioni di dispersione tra energia e vettor d'onda elettronico. 20/11/ lezione - Struttura elettronica dei semiconduttori - parte quarta Calcolo delle bande: esempio unidimensionale e discussione dettagliata delle bande tridimensionali in Si e GaAs. Gap diretto e indiretto. Approssimazione a bande paraboliche. Calcolo delle grandezze cinematica degli elettroni anche sotto l'azione di un campo elettrico. Pagina 6 di 9

7 21/11/ lezione - Struttura elettronica dei semiconduttori - parte quinta Il fenomeno della eccitazione termica. Elettroni e lacune. Conseguenze dell'esistenza di due diversi tipi di portatori di carica sui fenomeni di conduzione elettrica. Massa efficace: definizione e calcolo esplicito. 26/11/ lezione - Struttura elettronica dei semiconduttori - parte sesta Approssimazione di bande paraboliche: formulazione e conseguenze applicative. Densita' degli stati in banda di valenza e in banda di conduzione. Effetti del drogaggio tipo-n e tipo-p sulla struttura a bande di un semiconduttore intrinseco. 27/11/ lezione - Trasporto di carica nei semiconduttori - parte prima Concetti di base. Teoria microscopica per la velocita' dei portatori in regime di campo debole. Il concetto di mobilita'. 28/11/ lezione - Trasporto di carica nei semiconduttori - parte seconda Fenomeni di scattering dei portatori: approssimazione del tempo di rilassamento; regola di Matthiesen. Dipendenza dalla temperatura della concentrazione dei portatori e della conducibilita' elettrica. Effetti di drogaggio sulla mobilita'. Pagina 7 di 9

8 03/12/ lezione - Trasporto di carica nei semiconduttori - parte terza Trasporto in regime di campo forte e calcolo della corrente di saturazione. Fenomeno della resistenza differenziale negativa. Correnti di diffusione: calcolo del flusso di portatori in presenza di gradienti di concentrazione. Il concetto di diffusivita' dei portatori. 04/12/ lezione - Trasporto di carica nei semiconduttori - parte quarta Statistica dei portatori in semiconduttori all'equilibrio termico. Livello di Fermi in semiconduttori intrinseci ed estrinseci. 05/12/ lezione - Trasporto di carica nei semiconduttori - parte quinta Semiconduttori compensati. Legge di azione di massa per semiconduttori intrinseci ed estrinseci. Neutralita' di carica. Stima dei portatori di maggioranza. Cenni ai fenomeni di fuori-equilibrio: iniezione/ fotogenerazione di portatori e estrazione/ricombinazione. Il concetto di rateo di generazione e di ricombinazione. 10/12/ lezione - Proprieta' ottiche dei semiconduttori - parte prima Generalita' su assorbimento ed emissione. Il coefficiente di assorbimento e la legge di Beer. Approssimazioni di base per un modello microscopico di interazione radiazione-materia. Andamento qualitativo dello spettro di assorbimento di un semiconduttore. Transizioni inter-banda dirette. Pagina 8 di 9

9 11/12/ lezione - Proprieta' ottiche dei semiconduttori - parte seconda Transizioni indirette. Eccitoni: modello idrogenoide ed effetto sul coefficiente di assorbimento. 12/12/ lezione - Proprieta' ottiche dei semiconduttori - parte terza Fenomeni di emissione: transizioni radiative e non-radiative. Luminescenza in semiconduttori a gap diretta e indiretta. Fosforescenza. 17/12/ lezione - Lezione finale Prova di simulazione di esame scritto. Pagina 9 di 9