PRESENTAZIONE

L'insegnamento svolto nel primo semestre del primo del corso di laurea magistrale introduce alle conoscenze delle proprietà dei materiali cristallini Metallici , Isolanti e Semiconduttori. Il programma prevede una introduzione alla struttura cristallina, agli stati elettronici e vibrazionali dei solidi e al loro contributo alle proprietà termiche e di trasporto del materiale. Verrà dato particolare rilevo allo studio delle proprietà fisiche dei solidi semiconduttori che risulterà propedeutico agli insegnamenti dei corsi caratterizzanti svolti nel secondo semestre. 

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso affronterà la descrizione delle proprietà dei solidi a livello microscopico richiamando argomenti derivati dalla fisica statistica e quantistica. Gli studenti acquisiranno competenza su concetti quali il reticolo cristallino, la dinamica reticolare e la struttura a bande elettroniche. Le correlazioni tra reticolo cristallino e struttura a bande saranno evidenziate per descrivere il comportamento dei metalli, dei semiconduttori e degli isolanti. Particolare enfasi sarà posta nella descrizione della struttura a bande elettroniche dei semiconduttori. Verranno affrontati concetti relativi alle proprietà di trasporto dinamico nei semiconduttori, ai processi di generazione-ricombinazione, al drogaggio e alla formazione delle giunzioni p-n. Gli studenti approfondiranno le basi fisiche e il principio di funzionamento di dispositivi tecnologici cruciali, come diodi, diodi a emissione luminosa (LED) e celle solari.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Saper affrontare lo studio delle proprietà dei solidi a livello microscopico richiamando argomenti derivati dalla fisica classica,  statistica e quantistica. Acquisire competenza su concetti quali il reticolo cristallino, la dinamica reticolare e la struttura a bande elettroniche. Comprendere la correlazione tra reticolo cristallino e struttura a bande per descrivere il comportamento dei metalli, dei semiconduttori e degli isolanti. Enfasi sarà posta nella descrizione della struttura a bande elettroniche dei semiconduttori. Verranno affrontati concetti relativi alle proprietà di trasporto dinamico nei semiconduttori, ai processi di generazione-ricombinazione, al drogaggio e alla formazione delle giunzioni p-n. Gli studenti comprenderanno le basi fisiche e il principio di funzionamento di dispositivi tecnologici cruciali, quali i diodi, diodi a emissione luminosa (LED) e celle solari.

PREREQUISITI

Conoscenze di base di calcolo infinitesimale, di fisica generale, e di fisica moderna

MODALITA' DIDATTICHE

L'insegnamento prevede circa 64 ore di lezione  durante le quali saranno illustrati i concetti teorici, esempi ed applicazioni. Le lezioni verranno svolte in aula (oppure a distanza qualora non fosse consentita la lezione in presenza). Il materiale didattico (slides) presentato a lezione sarà fornito su Aulaweb.

PROGRAMMA/CONTENUTO

1 STRUTTURA CRISTALLINA
Elementi di Cristallografia, Principali strutture cristalline, Cristallografia a raggi X, Legge di Bragg, Forze interatomiche, loro classificazione e conseguenze sulla struttura cristallina.

2 DINAMICA RETICOLARE
Onde sonore, Vibrazioni reticolari di cristalli monodimensionali e generalizzazione ai cristalli tridimensionali, Fononi, Calore specifico dovuto alle vibrazioni reticolari, Energia e calore specifico di un oscillatore armonico, Densità degli stati, Schemi di interpolazione di Einstein e Debye per il calore specifico.

3 ELETTRONI LIBERI NEI METALLI
Il metallo come gas classico — modello di Drude, Il metallo come gas quantistico — modello di Sommerfeld, Modello degli elettroni liberi, Statistica di Fermi-Dirac e calore specifico di un gas di elettroni, Energia di Fermi, Vettore d'onda di Fermi, Temperatura di Fermi dei solidi metallici, Densità degli stati elettronici,

4 EFFETTO DEL POTENZIALE RETICOLARE PERIODICO — BANDE DI ENERGIA
Teoria degli elettroni quasi liberi, Metodo del legame stretto (Tight Binding), Teorema di Bloch, Struttura a bande elettroniche, Classificazione dei solidi cristallini in metalli, isolanti e semiconduttori.

5 PROPRIETÀ DINAMICHE E DI TRASPORTO
Elettroni e lacune, Moto semiclassico, velocità di gruppo e massa efficace, Dinamica in presenza di campi esterni, Processi di scattering e conducibilità elettrica nei metalli.

6 SEMICONDUTTORI
Classificazione dei semiconduttori e diagramma delle bande di energia.
Semiconduttori intrinseci: densità di portatori e statistica dei semiconduttori. Livello di Fermi, concentrazione di elettroni e lacune all’equilibrio, dipendenza della concentrazione di portatori dalla temperatura.
Semiconduttori estrinseci: drogaggio N, drogaggio P, livelli energetici delle impurezze. Impurezze donatrici e accettrici, concentrazione di portatori nei semiconduttori estrinseci e livello di Fermi nei semiconduttori estrinseci. Semiconduttore non degenere. Legge di azione di massa. Compensazione e neutralità di carica.

7 PROPRIETÀ DI TRASPORTO NEI SEMICONDUTTORI
Elettroni e lacune, Correnti di deriva e di diffusione. Masse efficaci, Conducibilità e mobilità, Effetto della temperatura, del drogaggio e dei campi elettrici.

8 GENERAZIONE E RICOMBINAZIONE DI PORTATORI
Generazione di portatori: per drogaggio, per eccitazione termica e ottica, per iniezione.
Ricombinazione di portatori: principali processi di ricombinazione diretta e indiretta, Tempo di vita dei portatori. Diffusione dei portatori, Iniezione di portatori, Lunghezza di diffusione dei portatori. Relazione di Einstein. Equazione di continuità.

9 GIUNZIONE PN IN EQUILIBRIO (in assenza di polarizzazione esterna)
Piegamento delle bande e tensione di giunzione (built-in). Correnti di deriva e di diffusione dei portatori maggioritari e minoritari attraverso la giunzione pn in equilibrio. Giunzione PN polarizzata (cenni), Caratteristica corrente-tensione del diodo, LED (cenni), celle solari (cenni).

TESTI/BIBLIOGRAFIA

- Materiale didattico distribuito su aulaweb/TEAMS. 

Testi consigliati :

J.R. HOOK and H.E. Hall, Solid State Physics, John Wiley & Sons

S.H Simon Oxford Solid State Basics

PRINCIPLES OF ELECTRONIC MATERIALS AND DEVICES, S. O. Kasap, MC Graw Hill

consultazione 

H. IBACH AND H. LUTH, Solids State Physics, Springer Verlag

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

La prova d’esame consisterà in un colloquio orale della durata di circa 45 minuti. Durante il colloquio verranno affrontati gli argomenti svolti nel corso, con riferimento alle conoscenze teoriche e alla loro applicazione in esempi concreti. Lo studente potrà iniziare la prova partendo da uno degli argomenti del programma a sua scelta (peso circa 1/4 della prova) mentre il restante tempo della prova viene dedicato ad approfondire le restanti parti del programma.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Durante la prova orale verrà verificato l’effettivo raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi . Verrà verificata il livello delle conoscenze acquisite sui punti specifici del programma, il grado di comprensione rispetto al ruolo dei meccanismi fisici che determinano le proprietà dei solidi, nonchè la capacità critica nell'affrontare casi specifici posti dal docente. Sono inoltre valutati la qualità dell’esposizione, l’utilizzo corretto del lessico specialistico, la capacità di ragionamento critico rispetto a casi specifici posti dal docente.

ALTRE INFORMAZIONI

Si ricorda alle studentesse e agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) che per poter richiedere adattamenti in sede d'esame occorre prima inserire la certificazione sul sito web di Ateneo alla pagina servizionline.unige.it nella sezione “Studenti”. La documentazione sarà verificata dal Settore servizi per l’inclusione degli studenti con disabilità e con DSA dell’Ateneo, come indicato sul sito federato al link: SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI 11430 | Studenti con disabilità e/o DSA | UniGe | Università di Genova | Corsi di Studio UniGe 

Successivamente, con significativo anticipo (almeno 10 giorni) rispetto alla data di esame occorre inviare una e-mail al/alla docente con cui si sosterrà la prova di esame, inserendo in copia conoscenza sia il docente Referente di Scuola per l'inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (sergio.didomizio@unige.it) sia il Settore sopra indicato. Nella e-mail occorre specificare: 

•            la denominazione dell’insegnamento 

•            la data dell'appello 

•            il cognome, nome e numero di matricola dello studente 

•            gli strumenti compensativi e le misure dispensative ritenuti funzionali e richiesti. 

Il/la referente confermerà al/alla docente che il/la richiedente ha diritto a fare richiesta di adattamenti in sede d'esame e che tali adattamenti devono essere concordati con il/la docente. Il/la docente risponderà comunicando se sia possibile utilizzare gli adattamenti richiesti. 

Le richieste devono essere inviate almeno 10 giorni prima della data dell’appello al fine di consentire al/alla docente di valutarne il contenuto. In particolare, nel caso in cui si intenda usufruire di mappe concettuali per l’esame (che devono essere molto più sintetiche rispetto alle mappe usate per lo studio) se l’invio non rispetta i tempi previsti non vi sarà il tempo tecnico necessario per apportare eventuali modifiche. 

Per ulteriori informazioni in merito alla richiesta di servizi e adattamenti consultare il documento: Linee guida per la richiesta di servizi, di strumenti compensativi e/o di misure dispensative e di ausili specifici