Course Syllabus
Obiettivi
L'obiettivo principale del corso è quello di fornire una panoramica della materia ed una solida base per un'ulteriore specializzazione nell'area della nanoelettronica, della spintronica, dell'optoelettronica, delle tecnologie quantistiche, dei sensori, della produzione ed immagazzinamento di energia, e della neuroelettronica. Dopo un riepilogo dei materiali tecnologicamente rilevanti e delle loro proprietà ed un richiamo di alcuni concetti di fisica dello stato solido, come la struttura cristallina, le vibrazioni del reticolo e la struttura a bande, argomenti specifici dei semiconduttori come la massa efficace e la sua determinazione sperimentale, la tecnica perturbativa k dot p, i difetti di punto e le loro proprietà strutturali, termodinamiche ed elettroniche, la statistica dei portatori nei semiconduttori intrinseci ed estrinseci, le proprietà ottiche, il trasporto di carica, i semiconduttori in condizioni di equilibrio e non di equilibrio saranno presentati come nucleo principale del corso.
Sono anche inclusi alcuni argomenti aggiuntivi (nanoelettronica, spintronica, materiali 2D per esempio) per offrire una panoramica di alcuni aspetti salienti della fisica dei semiconduttori e per stimolare ulteriori letture ed approfondimenti. Per seguire in modo efficiente il corso sono necessarie conoscenze in meccanica quantistica e fisica dello stato solido.
Contenuti sintetici
Fisica dei semiconduttori: proprietà elettroniche, ottiche, e di trasporto.
Programma esteso
STRUTTURA ELETTRONICA
Richiami sulla struttura a bande, massa efficace e sua determinazione sperimentale
Metodo k×p: banda di conduzione, banda di valenza, interazione spin-orbita,
Difetti reticolari: proprietà morfologiche. Cenni alla teoria dei gruppi. Termodinamica dei difetti di punto.
Difetti di punto: termodinamica, proprietà vibrazionali, proprietà elettroniche, droganti; difetti intrinseci; impurezze; difetti complessi.
Difetti “shallow”: teoria della massa efficace. Transizione di Mott. Effetti di alta concentrazione.
Difetti “deep”: funzioni di Green.
Cenni ad alcune tecniche sperimentali per lo studio dei difetti: risonanza di spin elettronico (EPR), deep level transient spectroscopy (DLTS).
DISTRIBUZIONI STATISTICHE
Statistica; termodinamica; densita' di stati; distribuzione di buche ed elettroni; semiconduttori intrinseci ed estrinseci, potenziale chimico e livello di Fermi.
PROPRIETA' OTTICHE
Interazione fotone-elettrone; assorbimento banda-banda; assorbimento eccitonico; assorbimento di portatori liberi; riflettivita'; assorbimento del reticolo; impurezze. Spettroscopia ottica di impurezze e droganti (Raman, Fotoluminescenza, Fotoionizzazione).
PROPRIETA' DI TRASPORTO
Grandezze macroscopiche caratterizzanti il trasporto. Equazione di Boltzmann; funzione di distribuzione; trasporto di carica; processi di scattering, tempi di rilassamento; effetto Hall, magnetoresistenza, effetti di elevato campo elettrico (portatori caldi), resistenza differenziale negativa, effetto Gunn. Semiconduttori in condizioni di equilibrio e di non equilibrio. Ricombinazione di cariche, deriva e diffusione. Trasporto spin-dipendente.
NANOSTRUTTURE
Strutture bi-, mono-, zero dimensionali e relative proprietà elettroniche, effetto Hall quantistico, sistemi 2D (grafene, silicene, dicalcogenuri di metalli di transizione).
Prerequisiti
Meccanica quantistica. Fisica dello stato Solido.
Modalità didattica
Lezioni frontali ed esercitazioni in classe.
Materiale didattico
- M. Balkanski and R.F. Wallis, Semiconductor Physics and Applications (Oxford) [Capitoli: 1, 2, 3(1,4,5,6,7), 4, 5, 6, 8, 10(1,2,3,4,8), 20(4)]
- M. Grundmann, The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Devices and Nanophysics, Springer
- Karl W. Böer and Udo W. Pohl, Semiconductor Physics, Springer
- Note del docente
- Testi integrativi e di approfondimento su temi specifici
Periodo di erogazione dell'insegnamento
II semestre. Febbraio-Giugno.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame è orale e consiste in due o tre domande relative agli argomenti svolti in cui viene richiesta una illustrazione quantitativa accompagnata da schemi, equazioni, dati numerici.
Orario di ricevimento
Su appuntamento.
Aims
The main objective of the course is to provide an overview of the subject and a solid background for further specialization in the area of nanoelectronics, spintronics, optoelectronics, quantum technologies, sensors, energy harvesting and production, and neuroelectronics. After a summary of technologically relevant materials and their properties and a reminder of solid-state physics concepts, such as crystal structure, lattice vibrations and band structure, semiconductor specific topics such as effective mass and its experimental determination, k dot p perturbation method, point defects and their structural, thermodynamic and electronic properties, charge statistic in intrinsic and extrinsic semiconductors, optical properties, charge transport, semiconductors in equilibrium and non- equilibrium conditions will be presented as the core of the course.
For the interested reader some additional topics (nanoelectronic, spintronics, 2D materials for example) are included to offer an overview of some highlights in semiconductor physics current trends and stimulate further reading. To follow efficiently the course pre-existing knowledge in quantum mechanics and solid-state physics is necessary.
Contents
Semiconductor physics: electronic, optical, and transport properties.
Detailed program
ELECTRONIC STRUCTURE
Band structure, effective mass and its experimental determination k dot p method: conduction band, valence band, spin-orbit interaction,
Point defects: structure, thermodynamics, vibrational properties, electronic properties, dopants; intrinsic defects; impurities; complex defects.
"Shallow" defects: effective mass theory. Mott transition. High concentration effects.
"Deep" defects: Green’s function approach.
Introduction to some experimental techniques for the study of defects: electron spin resonance (EPR), deep level transient spectroscopy (DLTS).
STATISTICAL DISTRIBUTIONS
Statistics; thermodynamics; density of states; distribution of holes and electrons; intrinsic and extrinsic semiconductors, chemical potential and Fermi level.
OPTICAL PROPERTIES
Photon-electron interaction; band-band absorption; excitons; absorption of free carriers; reflectivity; impurities. Optical spectroscopy of impurities and dopants (Raman, Photoluminescence, Photoionization).
TRANSPORT PROPERTIES
Macroscopic quantities characterizing charge transport. Boltzmann equation; distribution function; charge transport; scattering processes, relaxation time approximation. Hall effect, magnetoresistance, effects of high electric field (hot carriers), negative differential resistance, Gunn effect. Semiconductors in equilibrium and non-equilibrium. Recombination of charges, drift and diffusion. Spin-dependent transport.
NANOSTRUCTURES
Two-, one-, and zero-dimensional structures and related electronic properties, quantum hall effect, 2D systems (graphene, silicene, dicalcogenides of transition metals).
Prerequisites
Quantum Mechanics. Solid State Physics.
Teaching form
Lectures and exercises in the classroom.
Textbook and teaching resource
- M. Balkanski and R.F. Wallis, Semiconductor Physics and Applications (Oxford) [Ch.: 1, 2, 3(1,4,5,6,7), 4, 5, 6, 8, 10(1,2,3,4,8), 20(4)]
- M. Grundmann, The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Devices and Nanophysics, Springer
- Karl W. Böer and Udo W. Pohl, Semiconductor Physics, Springer
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Teacher's notes and slides
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Additional materials for specific topics
Semester
II semester (Feb.- June).
Assessment method
Oral examination, consisting in two, or three questions on different parts of the course, where the illustration of the topic is requested to be accompanied by sketches, equations, and numerical data.
Office hours
By appointment.
Staff
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Marco Fanciulli