FISICA DELLO STATO SOLIDO

2o MODULO

A. A. 1996-97

Prof. Antonio Miotello

Oggetto e obiettivi del corso

Il programma del primo modulo riguarderà le tecniche teoriche per trattare i problemi della statica e dinamica dei solidi cristallini. Nel secondo modulo verranno trattati alcuni aspetti fenomenologici e sperimentali connessi alle problematiche più attuali della fisica dello stato solido.
In generale ogni argomento verrà introdotto illustrando la fenomenologia relativa a particolari proprietà dei sistemi fisici in esame, allo scopo di rendere edotto lo studente sulle problematiche da affrontare. All'analisi dei metodi teorici utili per la fisica dello stato solido, farà seguito l'illustrazione di alcuni esempi concreti, per mettere in risalto sia la bontà del metodo come i limiti imposti dalle approsimazioni inerenti al medesimo. Analogamente per quanto riguarda le metodologie sperimentali verrano sottolineate potenzialità e limiti delle medesime.
All'inizio del primo modulo, agli studenti sarà richiesto di rispondere ad un breve test con lo scopo di accertare la loro conoscenza di argomenti di meccanica quantistica, meccanica statistica e struttura della materia. I risultati del test saranno di ausilio per migliorare il livello di presentazione degli argomenti da svolgere.

Argomenti effettivamente svolti

  1. Tecniche sperimentali: concetti generali relativi ai problemi di interazione particella-superficie. Il concetto di sezione d'urto e il calcolo relativo.
    Potenziali di interazione particella-atomo e i potenziali schermati. Il problema dello sputtering connesso all'utilizzo di tecniche di superficie quali: Auger Electron Spectroscopy (AES), Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS), X-Photoelectron Spectroscopy (XPS). Teoria dello sputtering, dipendenza della resa di sputtering da parametri quali: energia di legame alla superficie, massa dello ione incidente, angolo di incidenza. Lo sputtering preferenziale e il suo controllo. Principi generali della tecnica AES. Il processo Auger e terminologia relativa. I diversi contributi allo spettro Auger (picchi plasmonici, picco elastico). Il cammino libero medio degli elettroni nella materia condensata e tabelle sperimentali. L'intensita' di un picco Auger.
    I principi generali della tecnica XPS: terminologia e procedure sperimentali per la determinazione dell'energia di legame. Utilizzo della tecnica XPS per lo studio del legame chimico.
    I principi generali della tecnica SIMS: il problema della neutralizzazione degli ioni emessi e accorgimenti sperimentali per la riduzione di tale fenomeno. Lo spettrometro di massa.

  2. Proprieta' dielettriche dei materiali: Conducibilita' elettrica complessa, interazione di onde elettromagnetiche con la materia, integrazione delle equazioni di Maxwell con varie condizioni al contorno, la funzione dielettrica complessa, propagazione e riflessione di onde elettromagnetiche da parte di mezzi continui, la frequenza di plasma, il concetto di plasmone, tecniche sperimentali per la determinazione dello spettro plasmonico.
    Polarizzazione di solidi dielettrici. Relazione fra polarizzazione e campo nel caso dinamico e nell'ambito della teoria della risposta lineare. La funzione di risposta e sua determinazione. Relazione fra funzione di risposta e suscettivita'. Suscettivita' e funzione dielettrica. Relazioni di Kramers-Kronig.

  3. Semiconduttori: Note generali sulla struttura a bande dei solidi, dimostrazione del teorema di Green per funzioni periodiche nello spazio-k. Concetto di vacanza e corrente elettrica associata alle vacanze. Note generali sui semiconduttori in relazione alle loro proprieta' di trasporto. Semiconduttori a gap diretta e indiretta,struttura a bande di: Si, Ge, GaAs, drogaggio di semiconduttori, conducibilita' elettrica in un semiconduttore intrinseco. Densita' di stati elettronici in banda di conduzione e di valenza in un semiconduttore. La legge di azione di massa, livelli donori e accettori e valutazione dell'energia di legame in un livello donore.
    Metodi sperimentali per la determinazione dell'energia dei livelli donori e confronto con i risultati del modello teorico basato sul sistema tipo atomo di idrogeno. Conducibilita' elettrica in un semiconduttore di tipo n e valutazione delle energie di attivazione in funzione del tipo di drogaggio.
    Mobilita' degli elettroni in funzione della temperatura e meccanismi di scattering con fononi e con impurezze. La giunzione p-n, tecniche sperimentali per la preparazione di giunzioni p-n, condizioni di equilibrio termico e diffusivo per le due componeneti della giunzione. Distorsione delle bande nella regione di transizione, condizioni di equilibrio dei portatori rispetto alle forze diffusive e di drift. Il modello di Schottky per la giunzione e valutazione del campo elettrico e del potenziale in condizioni di equilibrio. La giunzione p-n polarizzata. La funzione caratteristica tensione-corrente in una giunzione polarizzata.
    Dipendenza delle correnti di generazione da parametri quali costante di diffusione e tempi di ricombinazione. Eterostrutture: pozzi quantici e superreticoli. Trasporto elettrico in eterostrutture e confinamento dei portatori.

    Modalità e svolgimento dell'esame

    Tutti gli argomenti indicati sopra costituiscono argomenti d'esame.

    Testi consigliati

    Modalità e svolgimento dell'esame

    Il profitto degli studenti verrà accertato mediante un esame orale sugli argomenti trattati durante il corso.

    Date dei prossimi appelli d'esame:

    Orale: 10.9.97 ore 15,00
    Orale: 8.10.97 ore 15,00