Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, delle Infrastrutture e dell'Energia Sostenibile - Università Mediterranea di Reggio Calabria - Didattica

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fisica dei semiconduttori

Corso

Ingegneria dell'Informazione

Curriculum

Curriculum unico

Orientamento

Orientamento unicoGGG

Anno Accademico

2014/2015

Crediti

Settore Scientifico Disciplinare

FIS/01

Anno

Terzo anno

Unità temporale

Secondo semestre

Ore aula

Attività formativa

Attività formative a scelta dello studente (art.10, comma 5, lettera a)

Canale unico

Docente

GIACOMO MESSINA

Obiettivi

Descrizione sintetica:
Lo scopo del corso è fornire la necessaria base fisica per comprendere le caratteristiche, il funzionamento e le limitazioni degli attuali dispositivi a semiconduttore.
Il corso è rivolto agli studenti del terzo anno del corso di laurea triennale in Ingegneria dell’Informazione. I prerequisiti per la comprensione degli argomenti del corso sono le nozioni di fisica generale e di matematica del primo anno. Nozioni di un corso introduttivo di Elettronica sono utili, ma non essenziali.
Nella prima parte del corso viene presentata un’introduzione alla struttura cristallina dei solidi, con particolare riferimento alle strutture cristalline di silicio, germanio, arseniuro di gallio. Vengono introdotti i principi di base della meccanica quantistica, applicati allo studio delle bande di energia nei solidi e della conduzione elettrica nei solidi.
La seconda parte del corso tratta dei fenomeni di trasporto dei portatori di carica nei semiconduttori, sotto l’influenza di un campo elettrico (trascinamento di portatori) o di un gradiente di concentrazione (diffusione di portatori). Verranno studiati i processi con cui sono introdotti portatori in eccesso in un semiconduttore (iniezione di portatori) e analizzati i processi di generazione e ricombinazione (diretta ed indiretta). Comprendere il comportamento dei portatori in eccesso in un semiconduttore è fondamentale per capire il funzionamento dei dispositivi elettronici a semiconduttore.
La terza parte del corso tratta della fisica dei più comuni dispositivi a semiconduttore. Viene sviluppata l’elettrostatica di una giunzione p-n e ricavate le caratteristiche I-V della giunzione p-n. Vengono inoltre considerate le giunzioni metallo-semiconduttore, sia rettificanti che non-rettificanti. Infine viene studiata la fisica del transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET).

Acquisizione conoscenze su:
Le strutture cristalline più importanti per la fisica dei semiconduttori. I principi di base della Fisica Moderna. La struttura a bande dei semiconduttori. Le leggi che regolano il trasporto dei portatori di carica nei semiconduttori. Meccanismi che determinano la formazione di una barriera di potenziale nelle giunzioni metallo-semiconduttore e nelle giunzioni p-n. I meccanismi fisici alla base del funzionamento del MOSFET.

Programma

La struttura cristallina dei solidi - Reticoli cristallini – Cella primitiva e cella unitaria – Strutture cristalline fondamentali : sc, fcc, bcc. Piani cristallini e indici di Miller – Strutture cristalline del diamante (Si e Ge) e della zincoblenda (GaAs) – Imperfezioni e impurità nei solidi.

Introduzione alla meccanica quantistica. Particella in una buca di potenziale a pareti infinite - Introduzione alla teoria quantistica dei solidi.- Formazione delle bande di energia. Semiconduttori in equilibrio – Portatori di carica nei semiconduttori – Concentrazione dei portatori intrinseci - Semiconduttori intrinseci ed estrinseci – Donatori e accettori - Posizione del livello di Fermi –

Fenomeni di trasporto nei semiconduttori – Fenomeno di trascinamento dei portatori - Mobilità – Diffusione dei portatori - Corrente di diffusione e corrente di drift - Portatori in eccesso. Iniezione di portatori. Processi di generazione e ricombinazione.

Giunzioni metallo-semiconduttore - La giunzione p-n – Giunzione brusca – Calcolo del potenziale di built-in - Il diodo a giunzione p-n - Caratteristiche I-V – Eterogiunzioni – Transistor ad effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore MOSFET – Struttura e funzionamento fisico del dispositivo – MOSFET a canale n e a canale p – Tecnologia MOS complementare (CMOS)

Testi docente

Neamen D.A., Semiconductor Physics and Devices. Basic Principles, Mc Graw-Hill
S. Sze, Dispositivi a semiconduttore, Hoepli

Erogazione tradizionale

Sì

Erogazione a distanza

Frequenza obbligatoria

Valutazione prova scritta

Sì

Valutazione prova orale

Sì

Valutazione test attitudinale

Valutazione progetto