Insegnamenti

 

IN/0027 - FISICA DEI SEMICONDUTTORI

Anno Accademico ​2018/2019

Docente
LUCIANO ​COLOMBO (Tit.)
Periodo
Primo Semestre​
Modalità d'Erogazione
Convenzionale​
Lingua Insegnamento
ITALIANO​



Informazioni aggiuntive

CorsoPercorsoCFUDurata(h)
[70/89] ​ ​INGEGNERIA ELETTRICA, ELETTRONICA E INFORMATICA [89/20 - Ord. 2016] ​ ​ELETTRONICA660
[70/89] ​ ​INGEGNERIA ELETTRICA, ELETTRONICA E INFORMATICA [89/50 - Ord. 2016] ​ ​ELETTRONICA ON LINE660
Obiettivi

Il corso di “Fisica dei Semiconduttori” è un insegnamento di livello introduttivo a carattere fenomenologico che espone lo Studente del Corso di Laurea in “Ingegneria Elettrica, Elettronica e Informatica” alle nozioni fondamentali di fisica moderna necessarie per la comprensione della struttura elettronica, dei fenomeni di trasporto e delle proprietà ottiche di un solido semiconduttore.

Lo Studente acquisira' conoscenze, competenze e abilità coerenti con gli obiettivi formativi del Corso di Laurea in “Ingegneria Elettrica, Elettronica e Informatica”, declinate secondo i cinque Descrittori di Dublino in accordo a quanto dettagliato qui di seguito:

- Conoscenze e capacità di comprensione
Lo Studente acquisirà conoscenza di alcuni selezionati argomenti di fisica della materia, utili alla comprensione dei principi di funzionamento dei dispositivi elettronici a stato solido. In particolare, lo Studente acquisirà i rudimenti della meccanica quantistica e sarà quindi in grado di comprendere le proprietà elettroniche, di trasporto e ottiche dei materiali semiconduttori di interesse in ingegneria dell’informazione.

- Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Lo Studente sarà in grado di applicare quanto acquisito in termini di conoscenze e capacità di comprensione allo studio di discipline prettamente ingegneristiche, in particolari riguardanti la (micro-/nano-)elettronica, l’optoelettronica e la fotonica. A tal fine, lo Studente sarà esposto allo studio di alcuni selezionati “casi” di interesse applicativo e verrà guidato a sviluppare capacità di inquadramento e interpretazione di tali problemi secondo il linguaggio della fisica.
Lo Studente, inoltre, sarà guidato a maturare un approccio professionale alla modellizzazione di un materiale semiconduttore tramite la descrizione dei meccanismi fisici sottostanti la sua funzionalità.
In definitiva, le competenze acquisite dallo Studente lo metteranno in grado di applicare principi fisici alla comprensione di fenomeni e/o sistemi di interesse ingegneristico e di elaborare semplici modelli in grado di descriverli.

- Autonomia di giudizio
Lo Studente svilupperà autonomia di giudizio nel selezionare il più appropriato concetto fisico da applicare al caso ingegneristico di interesse.
Lo Studente, infine, acquisirà la capacità di valutare criticamente, alla luce dei principi di base trattati nel corso, i risultati di discipline più prettamente ingegneristiche (quali, ad esempio, “Dispositivi elettronici”).

- Abilità comunicative
L’approccio didattico e le modalità di accertamento della conoscenza acquisita permetteranno allo Studente di far propri i fondamenti del linguaggio scientifico e lo abitueranno a comunicare le nozioni e i metodi appresi, nonché a formalizzare specifici problemi ingegneristici in termini di semplici modelli fisici.
Il complesso di queste abilità comunicative renderà lo Studente capace di sostenere una discussione dettagliata su tali modelli e relative soluzioni sia con professionisti sia con pubblico generico.

- Capacità di apprendere
Le modalità didattiche di insegnamento stimoleranno lo Studente ad integrare le nozioni sviluppate in questo corso tanto con le conoscenze disciplinari acquisite da altri insegnamenti (in particolare di Matematica e Fisica Generale) quanto con le informazioni acquisite da altre varie fonti.
Gli consentiranno, altresì, di conseguire una visione ampia delle problematiche connesse all’analisi fisica dei dispositivi elettronici a stato solido.
Infine, lo Studente acquisirà le competenze necessarie ad affrontare i successivi insegnamenti con un alto grado di autonomia.

Prerequisiti

- Conoscenze
Al fine di intraprendere proficuamente lo studio della “Fisica dei Semiconduttori” lo Studente deve avere una conoscenza adeguata della Analisi Matematica e della Fisica Generale.

- Abilità
Le abilità necessarie (acquisite da precedenti insegnamenti) riguardano la conoscenza operativa (“working knowledge”) di analisi matematica, la capacità di pensiero quantitativo e l’abilità di formalizzazione di un dato problema fisico in termini di leggi fondamentali.

- Competenze
Particolarmente importante sono la capacità di calcolo analitico, di soluzione di problemi applicativi, di comprensione degli ordini di grandezza dei fenomeni fisici e di manipolazione numerica.
Fatte salve altre propedeuticità formali previste dall'Ordinamento didattico in vigore, è obbligatorio che lo Studente abbia superato gli esami di Analisi Matematica I e II nonché di Fisica Generale I e II.

Contenuti

- Struttura cristallina: reticolo diretto e reciproco; difetti strutturali; semiconduttori amorfi.
Proprietà termiche, elastiche e vibrazionali dei semiconduttori cristallini.

- Elementi di meccanica quantistica: equazione di Schrödinger; funzione d’onda ed interpretazione probabilistica; spin elettrone; elettrone in potenziale periodico; il problema dell’allineamento del potenziale elettrostatico; buca, gradino e barriera di potenziale; la legge di distribuzione di Fermi-Dirac.

- La struttura elettronica dei semiconduttori: modello a bande; eccitazione termica ed ottica di elettroni; densità elettronica. Semiconduttori intrinseci e drogati: tecniche di drograggio; struttura elettronica di semiconduttori droganti n e p; elettroni e buche; legge di azione di massa.

- Trasporto elettronico: massa efficace; correnti e conducibilità; statistica dei portatori di minoranza e maggioranza; scattering termico, da impurezze e da difetti.

- Proprietà ottiche: assorbimento ed emissione di fotoni tramite transizioni inter-banda; processi ottici di generazione e ricombinazione di portatori.

Metodi Didattici

La didattica sarà organizzata in modalità tradizionale con lezioni frontali ed esercitazioni in aula. Saranno eventualmente organizzate attività di tutoraggio, secondo le modalità deliberate dalla competente Facoltà.

- Metodi e tecniche di interazione didattica in presenza:
interazione diretta tra Docente e Studente attraverso il dialogo in aula sollecitato dal Docente stesso. Comunicazione verbale durante il ricevimento (due ore alla settimana, durante lo svolgimento del semestre; su appuntamento nella rimanente parte dell’anno accademico).

- Interazione tra metodi e tecniche di insegnamento e di apprendimento:
* combinazione di didattica frontale, guidata e interattiva con l'utilizzo di strumenti informatici e di supporti multimediali;
* verifica delle conoscenze, abilità e competenze acquisite in itinere mediante lo svolgimento di test di auto-valutazione.

- Metodi e tecniche di interazione didattica a distanza:
* comunicazione scritta attraverso l’uso della posta elettronica e condivisione di informazioni tramite pagina on-line di questo insegnamento;
* somministrazione iniziale di un questionario di auto-valutazione relativo alle conoscenze in ingresso di Fisica Generale;
* svolgimento di auto-verifiche di apprendimento in corso d’anno, riservate agli Studenti frequentanti: prove parziali di autovalutazione su ciascun blocco di lezioni. Le prove (facoltative) consisteranno nella risoluzione di esercizi ed in quesiti su aspetti concettuali;
* la soluzione dei questionari di autovalutazione, delle verifiche di apprendimento in corso d’anno e degli esercizi d’esame verrà pubblicata on-line sulla pagina di questo insegnamento (disponibile sul sito-docente) in modo da offrire allo Studente una collezione di problemi svolti da usare per il proprio studio individuale.

I riferimenti saranno: un credito 25 ore, di cui 15 di studio e 10 di attività frontale.

Verifica dell'apprendimento

Le modalità con cui verrà accertata l’effettiva acquisizione da parte degli Studenti dei risultati di apprendimento attesi consisterà in un esame finale, articolato in una prova scritta (soluzione di problemi) e in un colloquio orale (discussione di concetti e risultati presentati a lezione).

Questa modalità di esame ha lo scopo di accertare l’effettiva acquisizione da parte dello Studente delle conoscenze, competenze ed abilità coerenti con gli obiettivi formativi dell’insegnamento oltre che di accrescere le sue capacità comunicative.

Tutti gli esami valutati positivamente (cioè con voto maggiore od uguale di 18/30) saranno prontamente registrati dal Docente tramite apposita procedura informatica.
Non sarà consentito ad uno Studente, il cui esame è stato valutato positivamente, rifiutare il voto e riprovare l’esame in appello successivo.

Testi

- Testo di riferimento:
* Luciano Colombo "Fisica dei Semiconduttori" (Zanichelli, Bologna, 2018) - ISBN 978-88-08-52054-8

- Testi alternativi e per consultazione
* Marius Grundmann, “The Physics of Semiconductors" (Casa Editrice Springer) - ISBN-10 3-540-25370-X.
* S.O. Kasap "Principles of electrical engineering materials and devices" (McGraw-Hill, 2000) - ISBN 0-07-235644-8
* D.A. Neamen "Semicondutor Physics and Devices" (McGraw-Hill, 2003) - ISBN 0-07-232107-5

Altre Informazioni

Il Docente utilizzerà per le proprie lezioni una tablet a scrittura manuale al fine di facilitare la scrittura di appunti personali da parte di ciascun Studente.

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