Introduzione. Corso di Laurea in Informatica. c/o: Dipartimento di Fisica. Sito web:

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1 Introduzione Corso di Laurea in Informatica Corso di Fisica dei Dispositivi Elettronici Docente: c/o: Dipartimento di Fisica Sito web: Tel

2 Libri e Orari Libro: Microelettronica; J. Millman, A.Grabel (Mc Graw Hill) Consultazione: Dispositivi a Semiconduttore; Semiconduttore S.M. Sze Biblioteca Scientifica Hoepli Elettronica Integrata Digitale; Digitale E. Taub, D. Schilling (Gruppo Editoriale Jackson) Orari (Dip. Fisica): Martedì 9-11 Lab. DAQ Giovedì 9-11 Lab. DAQ 2

3 Contenuti del Corso Elementi di Struttura della materia Diodi e Transistor Circuiti integrati Realizzazione di dispositivi logici Conversione Analogico-Digitale Dispositivi optoelettronici, trasduttori Introduzione alle nanotecnologie, calcolo quantistico, bioelettronica. Semplici esperienze Laboratorio 3

4 Informazioni varie sul corso Il corso vale 6 crediti. Durante il corso si svolgeranno esperienze di laboratorio con relazioni finali (obbligatorie). Gli esami consistono in un colloquio e in una discussione delle relazioni. L orario di ricevimento ufficiale è: Lunedì dalle 9 alle 10. Oppure su appuntamento. 4

5 Modello Atomo Idrogeno Protone Elettrone R = 0.529x10-10 m = nm Quantizzazione delle orbite solo alcune orbite sono permesse; Principio di esclusione del Pauli: solo due elettroni per ogni orbita; Energia di legame: energia da somministrare all elettrone per separarlo dal nucleo; Le orbite sono ordinabili, rispetto alla energia di legame decrescente, secondo la seguente serie: (1s), (2s,2p),(3s,3p,3d), etc. (1 orbita di tipo s, 3 orbite di tipo p, 5 di tipo d, etc.) 5

6 Orbitali (1) In realtà piuttosto che di orbite si parla di orbitali, intendendo con tale termine la distribuzione in 3 dimensioni della probabilità di trovare l elettrone in quel particolare punto. 6

7 Orbitali (2) p s d 7

8 Orbitali (3) Un sistema atomico è tanto più stabile quanto più il livello più esterno degli elettroni è completo. Per i primi livelli: Livello 1: 2 (1 orbitale s x 2 elettroni) Livello 2: 8 (1 orbitale s + 3 p x 2 elettroni) Livello 3: 8 (1 orbitale s + 3 p x 2 elettroni) Livello 4: 18 (1 orbitale s + 3 p + 5 d x 2 elettroni) Livello 5: 18 (1 orbitale s + 3 p + 5 d x 2 elettroni) Livello 6: 32 (1 orbitale s + 3 p + 5 d + 7 f x 2 elettroni) 8

9 Tabella Periodica Monovalenti Gas Nobili Carbonio Silicio Germanio Tetravalenti 9

10 Configurazione elettronica Carbonio 10

11 Configurazione elettronica Silicio 11

12 Configurazione elettronica Germanio 12

13 Ibridazione degli orbitali s+p 2 sp = + 13

14 Ibridazione degli orbitali s+2p 3 sp2 14

15 Ibridazione degli orbitali s+3p 4 sp3 15

16 Legami tra atomi (1) Una molecola è la più piccola unità di un materiale che mantiene le proprie caratteristiche chimiche. Es. Acqua: H2O, Ossigeno: O2, Helio: He; Una molecola è formata da uno o più atomi, anche di diverse specie, tenuti assieme dai legami atomici. 16

17 Legami tra atomi (2) Gli atomi si legano poiché tendono ad assumere uno stato il più stabile possibile, dal punto di vista energetico; tale obiettivo si ottiene in genere condividendo gli elettroni degli orbitali più esterni. 17

18 Legami tra atomi (3) Ci sono vari tipi di legami atomici: Legame polare Legame covalente Legame metallico 18

19 Legame Polare Mancanza di un elettrone nell orbitale esterno Presenza di un elettrone Cl Na Na+ - Cl Nel legame polare un elettrone viene completamente ceduto all altro atomo e si formano due ioni che si attraggono perché aventi cariche opposte. 19

20 Legame Covalente (1) O Elettroni in comune O + O O Nel legame covalente gli elettroni vengono messi in comune tra i due atomi pariteticamente. 20

21 Legame Covalente (2) s+s p+p : σ s+p p+p : π 21

22 Legame Metallico Nel legame metallico gli elettroni vengono messi in comune tra tutti gli atomi pariteticamente. 22

23 Struttura della Materia (1) La materia si organizza in diversi modi: forma gassosa: ogni molecola è essenzialmente indipendente dalle altre (es. gas, vapori) forma liquida: ogni molecola è legata debolmente alle altre (scarsa resistenza a forze esterne) forma solida: ogni molecola è fortemente legata alle altre circostanti, definendo strutture permanenti. 23

24 Struttura della Materia (2) I solidi si dividono a loro volta in Corpi amorfi: non aventi una struttura di base che si ripete regolarmente, es. vetro. Cristalli: aventi una struttura di base (cella unitaria) che si ripete regolarmente, es. silicio. L insieme delle celle è chiamato il reticolo cristallino. La distanza tra atomi adiacenti del reticolo è detta: costante reticolare o spaziatura interatomica 24

25 Struttura cristallina del diamante (ibrido sp3) Distanza interatomica o passo del reticolo 25

26 Legame tetraedrico 26

27 Bande di energia Ad ogni orbitale è associata una energia di legame. Es. livello 1s atomo di idrogeno = -13,6 ev = -21,76x10-19 Joule Quando ci sono molti atomi distanti i livelli di energia sono gli stessi; se gli atomi si avvicinano e quindi interagiscono, i livelli di energia tendono a differenziarsi di poco l uno dall altro. Per una struttura cristallina con N atomi, avremo N livelli inizialmente sovrapposti che si separano leggermente al diminuire della distanza Interatomica. (N=1023) 27

28 NA = 1023 Bande di valenza (1) Livello ionizzazione Livello valenza 28

29 NA = 1023 Livello ionizzazione Livello valenza 29

30 NA = 1023 Banda Proibita Livello ionizzazione Livello valenza 30

31 Bande di valenza (2) BANDA DI CONDUZIONE VUOTA Eg ~ 9 ev BANDA DI VALENZA OCCUPATA Isolante Eg ~ 1 ev Semiconduttore Conduttore 31