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Solid State Physics (MaMaself)

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Solid State Physics (MaMaself)

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Academic year 2020/2021

Course ID
MFN1281
Teachers
Prof. Paolo Olivero (Lecturer)
Prof. Jacopo Forneris (Lecturer)
Degree course
MaMaself
Year
1st year
Type
Characterizing
Credits/Recognition
8
Course disciplinary sector (SSD)
FIS/03 - fisica della materia
Delivery
Class Lecture + Lab Practicals
Language
English
Attendance
Obligatory
Type of examination
Oral
Prerequisites

È richiesta padronanza delle seguenti tematiche: meccanica quantistica, meccanica statistica, struttura cristallina, reticolo reciproco, fononi, stati elettronici (gas di elettroni liberi, bande energetiche).

The student should be familiar with the following topics: quantum mechanics, statistical mechanics, crystal structure, reciprocal lattice, phonons, electronic states (free electron gas, energy bands).

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Sommario del corso

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Course objectives

Dopo aver seguito il corso, l'allievo sarà in grado di:

  • Descrivere i concetti alla base delle proprietà elettriche dei materiali semiconduttori (statistica dei portatori, meccanismi di conduzione, teoria di Shockley-Read-Hall)
  • Descrivere i principi di funzionamento di dispositivi elettronici quali: diodo, cella fotovoltaica
  • Descrivere le proprietà dielettriche ed ottiche fondamentali dei solidi
  • Valutare e risolvere le problematiche sperimentali relative alla caratterizzazione di dispositivi fotovoltaici

Dopo aver seguito il corso, l'allievo sarà in possesso di:

  • Competenze teoriche nella modellizzazione di materiali semiconduttori
  • Competenze sperimentali nella caratterizzazione dei materiali e dispositivi suddetti
  • Competenze teoriche nella modellizzazione delle proprietà dielettriche ed ottiche dei cristalli
  • Competenze teoriche nelle principali tecniche di caratterizzazione dei materiali basate sull’interazione con la radiazione elettromagnetica

 EMERGENZA SANITARIA: Obiettivi formativi invariati.

After having completed the course, the student will have skills in:

  • Describing the fundamental properties of semiconducting materials (carriers statistics, charge transport mechanisms, Shockley-Read-Hall theory)
  • Describing the operation principles of electronic devices such as: diode, photovoltaic cell
  • Describing the fundamental dielectric and optical properites of crystals
  • Understanding the main techniques for materials characterization based on their interaction with electromagnetic radiation
  • Evaluating and solving experimental issues in the characterization of photovoltaic devices

After having completed the course, the student will have:

  • Theoretical knowledge in the modeling of semiconducting materials
  • Theoretical knowledge in the modeling of electronic devices based on semiconducting  materials
  • Experimental knowledge in the characterization of the above-mentioned materials and devices.
  • Theoretical knowledge on the diectric and optical properties of crystals
  • Theoretical knowldge in the characterization techniques based on the optical and dielectric properties of crystals

 SANITARY EMERGENCY: The objectives of the course are unchanged.

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Results of learning outcomes

Conoscenza e capacità di comprensione

  • comprensione dei concetti alla base delle proprietà dei materiali semiconduttori, e dei dispositivi basati su di essi
  • comprensione delle modalità di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali per la caratterizzazione di dispositivi a semiconduttore
  • conoscenza di base delle proprietà ottiche e dielettriche dei solidi

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

  • capacità di comprendere e padroneggiare i modelli fisici fondamentali che descrivono le funzionalità di dispositivi a semiconduttore e le proprietà dielettriche ed ottiche dei solidi
  • saper organizzare, analizzare, presentare e discutere dati sperimentali

 EMERGENZA SANITARIA: Risultati dell'apprendimento attesi invariati.

Knowledge and understanding

  • understanding the basic concepts on the properties of semiconducting materials and of related devices
  • understanding of the functionalities of laboratory equipment and of relevant experimental techniques for the characterization of semiconducting devices
  • overview of the optical and dielectrical properties of crystals.

Applying knowledge and understanding

  • ability to understand and manage fundamental physical models to interpret the functionalities of semiconducting devices and the dielectric and optical properties of solids
  • basic skill in organizing, analyzing, presenting and discussing experimental data

 SANITARY EMERGENCY: The expected learning results of the course are unchanged.

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Program

Dispostiviti a semiconduttore:

  • Teoria di Shockley-Read-Hall
  • Meccanismi di trasporto nei semiconduttori
  • Giunione p-n: derivazione della legge del diodo
  • Dispositivi fotovoltaici

Cristalli, semiconduttori e proprietà dielettriche dei solidi

  • Modello a elettroni quasi liberi
  • Modello tight-binding
  • Funzione dielettrica di un gas di elettroni
  • Plasmoni, Interazione elettrone-elettrone, Interazione elettrone-fonone
  • Riflettanza ottica
  • Transizioni ottiche, eccitoni
  • Tecniche di caratterizzazione

Esperienze di laboratorio

  • Caratterizzazione di una cella fotovoltaica
  • Caratterizzazione di giunzione pn in funzione della temperatura
  • Caratterizzazione di transistor a giunzione bipolare

EMERGENZA SANITARIA: Il programma del corso è invariato.

Semiconductor devices:

  • Carrier statistics in intrinsic and extrinsic semiconductors
  • Shockley-Read-Hall theory
  • Charge transport mechanisms in semiconctors
  • p-n junction: derivation of the diode law
  • Physics of photovoltaic devices

Crystals, semiconductors, and dielectric properties of solids:

  • Nearly free electron model
  • Tight Binding Method of Energy Bands
  • Dielectric Function of the Electron Gas
  • Plasmons, Electron-electron interaction, Electron-phonon interaction
  • Optical Reflectance, Kramers-Kronig Relations
  • Interband Transitions and Excitons
  • Characterization techniques

Laboratory activities:

  • Semiconductor devices: characterization of a photovoltaic cell
  • Characterization of a pn junction at variable temperature
  • Characterization of a bipolar junction transistor

SANITARY EMERGENCY: The program of the course is unchanged.

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Course delivery

Il corso è organizzato in 7 CFU (56 ore) di didattica frontale e 1 CFU (10 ore) di didattica di laboratorio.

Il corso è mutuato dal corso Solid State Physics per la laurea magistrale in Scienza dei Materiali.

Il corso è suddiviso in 2 parti:

  • dispositivi a semiconduttore: 3 CFU (lezioni frontali) + 1 CFU (laboratorio);
  • proprietà dielettriche dei solidi: 4 CFU (lezioni frontali)

Il corso è erogato in lingua inglese.

EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, verrà garantita l'erogazione di tutte le lezioni frontali in modalità telematica sincrona, ovvero seguendo una ben definita calendarizzazione delle lezioni stesse nel periodo didattico. Tali video-lezioni potranno consistere in registrazioni di lezioni in presenza oppure in video-registrazioni prodotte dai docenti in separata sede. In ogni caso, le video-registrazioni saranno successivamente disponibili per lo scaricamento dalla pagina e-learning/moodle del corso.  L'erogazione della didattica laboratoriale in presenza verrà garantita compatibilmente con le normative vigenti, ovvero in termini di numero massimo di frequentatori simultanei del laboratorio. Eventuali rimodulazioni della calendarizzazione delle sessioni laboratoriali saranno valutate dal docente sulla base dei vincoli che saranno imposti all'accessibilità dei laboratori.

The course is organized in 7 credits (56 hours) of frontal lectures and 1 credits (10 hours) of laboratory activities.

The course is shared with the Solid State Physics course of the Master Degree in Material Science.

The course is organized in 2 parts:

  • semicoductor devices: 3 credits (frontal lectures) + 1 credit (laboratory);
  • dielectric properties of solids: 4 credits (frontal lectures).

The course is given in English language.

SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, all lectures will be given online in synchronous mode, i.e. by following the planned timetable of the lectures during the teaching period. The video-lectures will consist of live recordings of the lectures given to the students, or alternatively of recordings of lectures given remotely by the teachers. In both cases, the recordings will be downloadable from the e-learning/moodle webpage of the course. The laboratory sessions in physical presence will be guaranteed, compatibly with the concurrent rules of access to the institute, particularly with regards to the maximum number of students allowed at the same time in the laboratories. Possible modifications to the laboratory sessions timetable will be evaluated by the teachers on the basis of the above-mentioned rules of access.

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Learning assessment methods

La valutazione è strutturata in 2  esoneri relativi alle 2 parti del corso (materiali e dispositivi semiconduttori, proprietà dielettriche dei solidi).

Ogni esonero consiste in un esame orale, eventualmente con discussione delle relazioni sulle attività di laboratorio (ove presenti) e domande sugli argomenti trattati nelle lezioni frontali.

Il voto finale relativo al corso risulta dalla valutazione congiunta dei docenti dei 2 moduli, sulla base dei voti riportati nei relativi esoneri.

 EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, gli esami telematici si terranno secondo le suddette modalità, utilizzando la piattaforma di tele-conferenza Webex. In particolare, la commissione sarà formata di almeno 2 docenti, e ciascun esame si terrà in presenza di almeno uno studente auditore. Tali modalità di verifica dell'apprendimento potranno subire variazioni sulla base di future disposizioni emanate dall'Ateneo e/o dal Corso di Studi.

The course evaluation is structured into 2 partial exams, relevant to the 2 parts of the course (semiconducting materials and devices, dielectric properties of solids).

Each partial exam consists in an oral exam in which the topics presented in the frontal lectures are discussed, as well as the laboratory reports (if relevant to the module).

The final mark for this exam results from a joint evaluation of the teachers, on the basis of the marks of the respective partial exams.

 SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, the online exams will be organized with the above-described modalities, by adopting the Webex tele-conference platform. In particular, each evaluation commission will be composed by at least two teachers, and at least one student will participate as witness. Such procedures will be subject to possible variations, on the basis of future dispositions of the University of Torino and/or of the Physics Degree council.

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Support activities

 EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, le necessarie misure di didattica integrativa (sessioni telematiche di tutoraggio e assistenza agli studenti) saranno concordate con gli studenti ed organizzate per facilitare la comprensione dei contenuti didattici.

 SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, the necessary measures of integrative teaching (online tutoring and counseling sessions) will be defined together with the students in order to facilitate the understanding of the course contents.

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Suggested readings and bibliography

  • S. M. Sze, "Semiconductor Devices - Physics and Technology", John Wiley & Sons
  • J. I. Pankove, "Optical Processes in Semiconductors", Dover
  • Kittel, Introduction To Solid State Physics, Wiley 2004
  • Grundmann (2016) Optical Properties. In: The Physics of Semiconductors. Graduate Texts in Physics. Springer.

 EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, le necessarie misure verranno intraprese per rendere facilmente accessibile in remoto il materiale didattico integrativo.

  • S. M. Sze, "Semiconductor Devices - Physics and Technology", John Wiley & Sons
  • J. I. Pankove, "Optical Processes in Semiconductors", Dover
  • Kittel, Introduction To Solid State Physics, Wiley 2004
  • Grundmann (2016) Optical Properties. In: The Physics of Semiconductors. Graduate Texts in Physics. Springer.

 SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, all necessary measures will be adopted to facilitate the remote access to the support teaching material.

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    Last update: 17/06/2020 09:37
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