Fisica dello Stato Solido

Programma del Modulo di Fisica dello Stato Solido –AA 2011-12
Corso di laurea Triennale in Scienza dei Materiali
Richiami di cristallografia
Stati di Aggregazione della Materia, Materiali amorfi e cristallini, operazioni di simmetria nei
cristalli, vettori primitivi, cella unitaria, Cella Primitiva di Wigner-Seitzs, Reticoli Bidimensionali,
Reticoli Tridimensionali, Indici di Miller.
Difetti nei Solidi
Difetti Puntiformi. Difetto di SCHOTTKY. Difetti ed Entropia. Difetti Frenkel. Diffusione: Legge
di Fick. Centri di Colore. Difetti di superficie. Dislocazioni. Geminazione. Bordi di grano.
Il Legame nei Cristalli
Energia di Coesione. Maccanismi di legame. Visione quanto-meccanica. Cristalli di Gas Inerti.
Legame di van der Waals. Cristalli Ionici. Legame Covalente. Legame metallico. Legame Idrogeno.
Vibrazioni reticolari
Vibrazioni del Reticolo Lineare. Ramo Ottico, Ramo Acustico. Quantizzazione dei campi: fotone,
fonone, polarone, plasmone. Quantizzazione delle onde elastiche: fononi. Velocità di gruppo e
velocità di fase. Calore specifico nei solidi. Regola di Dulong e Petit. Modello di Einstein e di
Debye per il calore specifico. Conducibilità termica. Scattering dei Fononi.
Metalli
Modello ad elettroni liberi. Modello di Drude. Legge di Wiedemann-Franz. Modello di
Sommerfield. Energia di Fermi e superficie di Fermi. Capacità termica elettronica. Conduzione
elettrica. Effetto Hall. Effetto Hall : Applicazioni. Limiti del modello.
Bande di Energia nei Solidi
Moto in un potenziale periodico. Bande di Energia. Teorema di Bloch. Zone di Brillouin. Massa
Efficace. Densità degli Stati. Bande di Energia nei Conduttori. Bande di Energia negli Isolanti e nei
semiconduttori. Evidenza Sperimentale delle Bande di Energia. Spettri di Assorbimento Ottico.
Luminescenza.
Semiconduttori
Semiconduttori semplici e composti. Silicio. Arseniuro di Gallio. Legame nei Semiconduttori.
Elettroni e buche. Bande di Energia: dipendenza dalla Temperatura. Struttura a Bande di Si e GaAs.
Assorbimento ottico. Massa efficace nei semiconduttori. Relazioni di equilibrio. Legge di Azione di
Massa. Semiconduttori intrinseci. Semiconduttori estrinseci. Drogaggio dei semiconduttori. Livelli
energetici all’interno della Eg. Concentrazione degli elettroni nel Si. Mobilità. Resistività. Effetto
Hall. Diffusione dei portatori. Relazioni di Einstein. Equazioni della densità di corrente. Iniezione
di portatori. Processi di generazione e ricombinazione. Ricombinazione diretta. Ricombinazione
indiretta. Ricombinazione Superficiale. Equazione di continuità.
Proprietà Ottiche
Transizioni Interbanda. Assorbimento Ottico. Rate di transizione. Semiconduttori a gap diretta e a
gap indiretta. Regole di selezione. Arseniuro di gallio. Misure di spettri di assorbimento. Emissione
di luce nei solidi. Vita media di un portatore libero. Trappole. Centri di trappola e di
ricombinazione. Luminescenza. Termoluminescenza. Luminescenza stimolata otticamente.
Giunzione p-n e Dispositivi a Semiconduttore
Giunzione p-n. Condizioni per l’equilibrio termodinamico. Distribuzione della carica spaziale e del
potenziale elettrostatico. Regione di svuotamento: giunzione a gradino. Giunzione p-n brusca
asimmetrica. Capacità di svuotamento. Polarizzazione diretta e inversa. Caratteristica I-V di un
diodo ideale. Equazione del diodo. Caratteristica I-V reale. Tensione di soglia. Polarizzazione
diretta e inversa. Rottura della giunzione: effetto tunnel e moltiplicazione a valanga.
Diodo Schottky. Giunzione metallo semiconduttore. Diagramma delle bande di energia. Capacità di
svuotamento. Caratteristica I-V del diodo Schottky. Celle solari. Air Mass. Effetto Fotovoltaico.
Celle solari a giunzione p-n: caratteristica I-V. La tensione di circuito aperto Voc. La potenza
massima erogabile. Il Fattore di riempimento, FF. L’efficienza di conversione, η. Resistenza serie e
resistenza di shunt.
Testi consigliati.
S.M. Sze. Fisica dei dispositivi a semiconduttore. Tamburini Editore.
H.M. Rosenberg. The solid state. Oxford Science Publications.