Course Syllabus
Obiettivi
Obiettivo del corso é presentare alcuni esperimenti di fisica dello stato solido. Particolare attenzione è rivolta ai semiconduttori per la loro importanza dal punto di vista applicativo.
I principali obiettivi formativi sono:
- conoscenza e capacità di comprensione della strumentazione e delle tecniche di un laboratorio di fisica dello stato solido;
- conoscenza e capacità di comprensione delle proprietà fisiche dei solidi applicate ai principali utilizzi;
- autonomia di giudizio (making judgements) nell'analisi di proprietà fisiche e nell'impostazione di esperimenti scientifici;
- abilità comunicative (communication skills) nella stesura di relazioni di esperimenti scientifici e nella descrizione ordinata di una procedura di misura;
- capacità di apprendere in modo autonomo dal materiale didattico aggiuntivo, dai manuali e dalle specifiche tecniche della strumentazione (learning skills).
Contenuti sintetici
Il corso consiste in una serie di esperienze di laboratorio mirate alla caratterizzazione elettrica ed ottica di semiconduttori (conducibilità ed effetto Hall, caratteristiche della giunzione p-n, assorbimento e conversione fotovoltaica dell’energia luminosa, ecc.).
L’attività di laboratorio sarà preceduta da un breve ciclo di lezioni in cui saranno introdotte le diverse esperienze.
Programma esteso
La parte di introduzione teorica riguarda i seguenti argomenti:
Semiconduttori
- Struttura cristallina;
- Struttura a bande;
- Trasporto;
- Assorbimento ottico;
- Giunzione pn.
Strumenti
- Sorgenti;
- Rivelatori;
- Monocromatori;
- Generatori;
- Multimetri;
- Magneti.
Sicurezza in laboratorio
La parte in laboratorio prevede invece I seguenti contenuti.
Esperienze in laboratorio didattico
- Effetto Hall in semiconduttori;
- Risposta in potenza celle solari;
- Risposta spettrale di un fotodiodo;
- Determinazione tempo di vita in silicio;
- Misure di trasmittanza e riflettanza semiconduttori;
- Misure di fotoluminescenza;
- Caratteristica tensione-corrente di un diodo in funzione della temperatura.
Prerequisiti
Contenuti dei corsi di fisica ed i laboratori di fisica degli anni precedenti.
Modalità didattica
- 12 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza;
- 18 attività di laboratorio da 4 ore svolte in modalità interattiva in presenza;
Le lezioni frontali introduttive sui principali argomenti di fisica dello stato solido hanno lo scopo di permettere una completa comprensione delle esperienze svolte in laboratorio.
Durante il laboratorio gli studenti vengono suddivisi in gruppi di 3-4 persone. I gruppi sono generalmente 5 o 6 in modo tale da poter svolgere a rotazione tutte le 6 esperienze già preparate, ognuna delle quali dura tre pomeriggi. All'occorrenza si possono aggiungere 1-2 nuove esperienze.
Materiale didattico
Il materiale didattico principale è composto dalle dispense sulla teoria e sullo svolgimento delle esperienze fornite dai docenti. Come in tutti i laboratori, sono fondamentali anche i manuali della strumentazione e le specifiche tecniche del materiale utilizzato.
Indichiamo un paio di testi consigliati per eventuali approfondimenti:
- M. Guzzi, “Principi di fisica dei semiconduttori”, Hoepli
- C. Kittel, “Introduzione alla Fisica dello Stato Solido”, Zanichelli
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
In sintesi le prove si compongono di:
- Colloqui sugli argomenti svolti a lezione;
- Colloquio sulla relazione di laboratorio;
- Colloquio sulle esperienze di laboratorio.
Di seguito riportiamo una descrizione più dettagliata.
Alla fine delle esperienze gli studenti devono consegnare una relazione scritta su una delle esperienze a scelta dello studente. Si richiede che la relazione non sia particolarmente estesa (max 6 pagine per esperienza svolta). La relazione dovrà riportare una breve descrizione dell'argomento dell'esperienza, la strumentazione utilizzata e la procedura della raccolta dati, un'analisi dei dati ed infine un breve commento dei risultati.
Nell'esame orale viene discussa la relazioni consegnata e domande sui risultati ottenuti nelle altre esperienze. E' richiesto agli studenti presentarsi alla prova con il quaderno di laboratorio dove sono riportati i risultati di tutte le esperienze.
Disponibilità a svolgere le prove di esame in inglese per studenti Erasmus (per chi volesse).
Orario di ricevimento
Alla fine delle lezioni o su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
The aim of the course is to present some experiments in solid state physics. A significant amount of time is devoted to semiconductors due to their importance from an application point of view.
The main training objectives are:
- knowledge and ability to understand the instrumentation and techniques of a solid state physics laboratory;
- knowledge and ability to understand the physical properties of solids applied to the main applications;
- autonomy of judgment (making judgments) in the analysis of physical properties and in the setting up of scientific experiments;
- communication skills in drafting scientific experiment reports and in the orderly description of a measurement procedure;
- ability to learn independently from additional teaching material, manuals and technical specifications of the instrumentation (learning skills).
Contents
The course consists of a series of laboratory experiences aimed at the electrical and optical characterization of semiconductors (conductivity and Hall effect, characteristics of the p-n junction, absorption and photovoltaic conversion of light energy, etc.).
The laboratory activity will be preceded by a short cycle of lessons in which the different experiences will be introduced.
Detailed program
The theoretical introduction section presents the following topics:
Semiconductors
- Crystalline structure;
- Band structure;
- Transport;
- Optical absorption;
- Pn junction.
Instruments
- Sources;
- Detectors;
- Monochromators;
- Generators;
- Multimeters;
- Magnets.
Safety in the laboratory
The laboratory part instead includes the following contents.
Experiences in the teaching laboratory
- Hall effect in semiconductors;
- Solar cell power response;
- Spectral response of a photodiode;
- Determination of life time in silicon;
- Semiconductor transmittance and reflectance measurements;
- Photoluminescence measurements;
- Voltage-current characteristic of a diode as a function of temperature.
Prerequisites
Physics courses and physics laboratories of the previous years.
Teaching form
- 12 2-hour lessons held in presence;
- 18 4-hour laboratory activities carried out in interactive mode in presence;
The introductory lectures on the main topics of solid state physics are intended to allow a complete understanding of the experiences carried out in the laboratory.
During the laboratory the students are divided into groups of 3-4 people. There are generally 5 or 6 groups so that all 6 pre-prepared experiences can be carried out in rotation, each of which lasts three afternoons. If necessary, 1-2 new experiences can be added.
Textbook and teaching resource
The main teaching resource consists of handouts on the theory and the implementation of the experiences provided by the teachers. As in all laboratories, the instrument manuals and the technical specifications of the material used are also fundamental.
We indicate a couple of recommended texts for further information:
- M. Guzzi, “Principles of semiconductor physics”, Hoepli
- C. Kittel, “Introduction to Solid State Physics”, Zanichelli
Semester
Second semester
Assessment method
In summary the tests consist of:
- Interviews on the topics covered in class;
- Interview on the laboratory report;
- Interview on laboratory experiences.
Below is a more detailed description.
At the end of the experiences, the students must submit a written report on one of the experiences chosen by the students. It is requested that the report is not particularly extensive (more or less max 6 pages per experience). The report must include a brief description of the topic of the experience, the instrumentation used and the data collection procedure, an analysis of the data and finally a brief comment on the results.
In the oral exam, the reports submitted are discussed and questions are asked about the results obtained in other experiences. Students are required to show up for the test with the laboratory notebook where the results of all the experiments are reported.
Availability to take exams in English for Erasmus students (for those who wish).
Office hours
At the end of lessons or by appointment.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Maurizio Filippo Acciarri
-
Emiliano Bonera
