Introduzione al corso di Fisica dei Semiconduttori

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1 Introduzione al corso di Fisica dei Semiconduttori Mara Bruzzi 8 settembre 016

2 1 a lezione : dualismo onda-corpuscolo a.l ipotesi di Planck e il corpo nero b.effetto Fotoelettrico c. Primi modelli atomici - Atomo di Bohr d.elettroni come Onde di Materia e.principio di Indeterminazione di Heisenberg f. Particella come pacchetto d onda g.l equazione di Schroedinger h.applicazioni dell equazione di Schroedinger

3 Il periodo storico E mc c m c 0 p La teoria della relatività Primi modelli atomici Il corpo nero e l ipotesi di Planck Elettroni come onde di materia hn V i A - E K max hv l effetto fotoelettrico ed il fotone come quanto di energia elettromagnetica ev s Il principio di indeterminazione di Heisenberg xp x

4 Lezione : Cenni di meccanica quantistica 1. Introduzione - Funzioni d onda e densità di probabilità. Equazione di Schroedinger 3. Operatori in meccanica quantistica 4. Principi della meccanica quantistica 5. Esempi di calcolo dell equazione di Schroedinger a) particella libera; b) particella in buca di potenziale monodimensionale; c) particella in buca di potenziale tridimensionale; d) oscillatore armonico; e) atomo ad un solo elettrone: numero quantico principale, quantizzazione del momento angolare, quantizzazione spaziale ed effetto Zeeman, quantizzazione di Spin ed esperimento di Stern-Gerlach. 7. Gradino di potenziale 8. Penetrazione di una barriera: effetto Tunnel Approfondimenti

5 V V dxdydz z y x P ),, ( Funzioni d onda e densità di probabilità t t r i t r t r U m ), ( ), ( ), ( L equazione di Schroedinger e le sue applicazioni Orbitali molecolari e tavola periodica degli elementi L effetto Tunnel

6 Lezione 3: Cenni di meccanica statistica classica e quantistica 1. Equilibrio statistico. Probabilità di una distribuzione 3. La statistica di Maxwell Boltzmann 4. La statistica di Fermi Dirac 5. La statistica di Bose Einstein Fermi Dirac Bose Einstein

7 Il potenziale di Lennard Jones Lezione n. 4 : Legami nei solidi Strutture Cristalline U r U 0 R 0 Reticolo cristallino del GaAs Ghiaccio I h cristallo a simmetria esagonale con angoli di legame quasi tetraedrici. 7

8 Lezione n. 5 : Il reticolo reciproco RETICOLO DIRETTO corrisponde alla struttura reticolare reale, che descrive la struttura ordinata e periodica con cui sono disposti gli atomi nello spazio RETICOLO RECIPROCO determina come la struttura periodica del reticolo diretto INTERAGISCE CON LE ONDE. Tutti i vettori del reticolo reciproco, K, sono definiti dalla condizione: e K. R = 1 K. R = pn n intero con R vettore del reticolo diretto. Queta espressione può essere soddisfatta se K è espresso a partire dai vettori primitivi di reticolo reciproco A 1, A, A

9 9 Lezione n.6 : Primi modelli di conduzione elettrica Modello classico di Drude ( 1900 ) E m ne J ) ( ) ( r x r m Modello quantistico ad elettroni liberi di Sommerfeld:

10 Lezione n. 7: Principi di teoria delle bande Modello quantistico in presenza del potenziale periodico dovuto agli atomi presenti nei siti reticolari m x U( x) ( x) ( x) Soluzioni : Teorema di Bloch con: u ( x) u ( x na) k k ( x ) u ( x) e k k ikx a = costante reticolare n numero intero 10 Felix Bloch

11 Lezione 8: vibrazioni reticolari e fononi Energia potenziale del reticolo reticolo monoatomico monodimensionale reticolo monodimensionale con base curve di dispersione modi di vibrazione del reticolo : acustico e ottico fononi come quanti di vibrazione reticolare M k M k M k M k M k M (n-1)a na (n1)a (n)a ottico 11 p a 0 p a q

12 Lezione 9: Proprietà dei materiali semiconduttori Bande di energia dei semiconduttori Silicio semiconduttori intrinseci ed estrinseci 1

13 Lezione n. 10: Proprietà di trasporto nei semiconduttori conducibilità elettrica del semiconduttore in funzione della temperatura velocità del portatore in funzione del campo elettrico

14 Lezione 11: leghe di semiconduttori - interfacce tra semiconduttori metodi di crescita e introduzione ai dispositivi omo- ed etero-giunzioni

15 Lezione 1: cenni alle nanotecnologie

16 Laboratorio: caratterizzazione elettrica di vari dispositivi a semiconduttore (celle solari)

17 Bibliografia del corso Principi di Fisica dei Semiconduttori, Mario Guzzi, Hoepli Ed. (013), ebook scaricabile da Google Play Libri Physics of Semiconductor Devices, S.M.Sze, Wiley, New York, 007 Semiconductors, D.K.Ferry, MacMillan Publishing Company, New York, 1991 Semiconductor Physics, K.Seeger, Springer Verlag, 1985 Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, Kittel, Casa Editrice Ambrosiana, 008 Introduction to Solid State Physics, Oxford University Press, 015 Fundamental University Physics, Volume III Quantum and Statistical Physics, Alons Finn Addison Wesley, 1968 Materials Concepts for Solar Cells Thoma Dittrich, Imperial College Press (015)