Tecnologie Digitali. Laboratorio per il Terzo anno

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Nicolo Borghi
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1 Tecnologie Digitali Laboratorio per il Terzo anno

2 La prima parte del corso introduce alla fisica dei dispositivi a semiconduttore, con l'obiettivo di apprendere le tecnologie alla base della strumentazione fisica utilizzata attualmente nei laboratori di ricerca e di misura. Le esperienze proposte fanno uso di diversi tipi di sensori e dell'elettronica analogica e digitale necessaria per il corretto condizionamento del segnale; vengono insegnate anche le prime nozioni per l'impiego di microcontrollori dedicati all'uso generale in un laboratorio di fisica. La seconda parte del corso e dedicata alla replica di esperimenti fondamentali che segnano il passaggio dalla fisica classica a quella moderna, facendo riferimento alla Meccanica Quantistica. Le esperienze vengono fatte in sinergia con il corso di Meccanica Quantistica tenuto dal Prof. Paffuti.

3 Sede: Aula H1 Orario: 2 ore al mattino (1 teoria + 1 recitation) al pomeriggio (laboratorio) Le lezioni si compongono di una parte teorica e di una parte di laboratorio che permette la realizzazione dei circuiti studiati, con verifica delle proprietà simulate e previste. Il lavoro e organizzato con schede che guidano l esecuzione numero di schede: 14 settimanali + 5 multisettimanali Vengono assegnati anche degli homework Numero studenti massimo: 24 Docenti: A. Di Lieto, E. Cataldo

4 Elementi di base: PC con schede di acquisizione dati Sensori di grandezze fisiche interfacciabili Software di simulazione (tipo SPICE) per l'analisi teorica dei circuiti, e di simulazione realizzabili in ambienti di calcolo numerico e simbolico quali MatLab/Octave Software di acquisizione (LabVIEW) Software di elaborazione (MatLab/Octave: 20 ore dedicate) MATERIALE DEL CORSO: Sono consigliati i testi di riferimento tipici per i corsi di laboratorio di elettronica,ad esempio The art of electronics, P. Horowitz W. Hill, Cambridge U.P., Introduzione all elettronica, AA.VV., Editrice ETS. Articoli di letteratura scientifica

5 PROPEDEUTICITA E FREQUENZA: E obbligatorio aver frequentato (e superato) i corsi di Fisica1, Laboratorio1 e 2 del CdS in Fisica. E consigliato aver sostenuto l esame di Fisica 2. La frequenza è obbligatoria (sia a lezione che a laboratorio). MODALITA SVOLGIMENTO ESAME: La valutazione degli studenti viene effettuata tenendo conto di diverse componenti: 70%: rendimento in laboratorio 20%: logbook di laboratorio (ritirato 2 volte, a campione), homework, relazioni relative a particolari esperienze 10%: prova pratica e prova orale finali Appello unico: 31 maggio 2016 (e giorni a seguire)

6 Elenco argomenti ed esperienze Modelli di componenti elettronici e programmi di simulazione di tipo SPICE Analisi DC e AC di circuiti usando programmi SPICE-like. Diagramma di Bode. Dispositivi a semiconduttore. Diodo a giunzione. Caratteristica diretta e inversa. Equazione di Shockley. Diodi a emissione luminosa (LED). Caratteristiche elettriche e luminose. Foto rivelatori a semiconduttore. Fotodiodo e foto resistenza. Amplificatore operazionale: caratteristiche ideali e reali. Confronto tra modelli e opamp reali. Esempi di circuiti con opamp. Amplificatore a transimpedenza. Dispositivi integrati: Sensori di Hall. Generatori di corrente e circuiti di controllo per diodi laser. Transistor. Rivelatori di lunghezza d onda. Logica booleana; leggi di De Morgan; mappe di Karnaugh; Porte logiche a due ingressi; Realizzazione di porte logiche a due ingressi con circuiti CMOS; Realizzazione di circuiti sommatori a 1 bit con elementi logici di base; Logica sequenziale; diagrammi di stato; Registri e flip-flop; Contatori e divisori; Realizzazione di contatori asincroni e sincroni con elementi discreti; Microcontrollori. Protocolli di connessione tra microcontrollori e sensori (I2C,...) Sensori e microcontrollori: uso di diversi sensori di grandezze fisiche in esperienze di laboratorio (temperatura, capacita, tensione, accelerazione, illuminazione, )

7 Esperienze realizzate Alcuni argomenti richiedono tempi e modalita diverse: Esperienza di Franck-Hertz Effetto fotovoltaico Effetto fotoelettrico Legge di Beer-Lambert Realizzazione di un wavemeter nel visibile Effetto Hall Misura di c (a tempo di volo) Media di forme d'onda Struttura iperfine del Rubidio Conduttivita quantizzata in nanocontatti temporanei Effetto Ramsauer-Townsend Conteggio di fotoni

8 Info

9 MatLab/Octave 1. Introduzione a MatLab/Octave 2. Scripts - Funzioni - Operatori 3. Input-Output dei dati 4. Grafici e visualizzazione dei dati 5. Analisi dei dati 6. Analisi nonlineare ed approssimazioni di funzioni e di dati 7. Differenziazione ed integrazione numerica - calcolo simbolico 8. Sistemi lineari 9. Cenni a soluzioni di ODEs 10. Cenni a soluzioni di PDEs

10 Franck-Hertz Esempi di segnali acquisiti ed elaborati dagli studenti negli A.A e

11 Effetto Ramsauer-Townsend Anomalia quantistica nello scattering elastico tra elettroni e atomi di Xenon Confronto tra dati calcolati e valori sperimentali

12 Struttura iperfine del Rubidio Misura delle righe di struttura iperfina dei due isotopi stabili del Rb a 780 nm: 5 S 1/2 5 P 3/2, F=1 Grandezza Valore Atteso Valore misurato Spin (0.20) Spin (0.20) Abbondanza isotopica Rapporto momenti magnetici Shift isotopico (0.20) (0.02) 78 MHz 98 (15) MHz

13 Quantum Conductance

14 Misura di c 2014: 193 misure raccolte da 9 gruppi; Fit a 3 variabili, 11 parametri, χ 2 non lineare, varianza effettiva Risultato: c/c = 3 E-4. Discrepanza assoluta: 4 E-5 m/ns Discrepanza relativa: 1 E-4

15 Misura di c 2015: 169 misure raccolte da 10 gruppi; Fit a 3 variabili, 21 parametri, χ 2 non lineare, varianza effettiva c (dc): ( ) m/ns

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