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Oggetto:
Oggetto:

Solid State Physics (MaMaself)

Oggetto:

Solid State Physics (MaMaself)

Oggetto:

Academic year 2014/2015

Course ID
MFN1281
Teaching staff
Prof. Marco Truccato (Titolare del corso)
Prof. Paolo Olivero (Titolare del corso)
Degree course
MaMaself
Year
1° anno
Teaching period
Secondo semestre
Type
Caratterizzante
Credits/Recognition
8
Course disciplinary sector (SSD)
FIS/03 - fisica della materia
Delivery
Tradizionale
Language
Inglese
Attendance
Facoltativa
Type of examination
Orale
Prerequisites
È consigliato (ma non obbligatorio) avere già seguito il corso di Meccanica Statistica e Quantistica. Sono inoltre richiesti i seguenti concetti del syllabus del Corso di Laurea: struttura cristallina, reticolo reciproco, fononi, stati elettronici (gas di elettroni liberi, bande energetiche).
Course borrowed from
Solid State Physics (CHI0027 )
Corsi di Studio in Scienza dei Materiali
Oggetto:

Sommario del corso

Oggetto:

Course objectives

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

- Descrivere le proprietà fondamentali dei materiali semiconduttori (statistica dei portatori, meccanismi di trasporto di carica).

- Descrivere i principi di funzionamento di dispositivi elettronici quali: diodo, cella fotovoltaica.

- Descrivere le proprietà fondamentali delle varie classi di materiali superconduttori e i rispettivi ambiti di applicazione.

- Descrivere il funzionamento di una giunzione Josephson e le sue possibili applicazioni.

- Valutare e risolvere le problematiche sperimentali relative alla caratterizzazione elettrica di dispositivi a bassa temperatura ed alla caratterizzazione di dispositivi fotovoltaici.

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

 - Competenze teoriche nella modellizzazione di materiali semiconduttori e superconduttori

- Competenze teoriche nella modellizzazione di dispositivi elettronici a semiconduttore e superconduttore

- Competenze sperimentali nella caratterizzazione dei materiali e dispositivi suddetti

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

- Decribing the fundamental properties of semiconducting materials (carriers statistics, charge transport mechanisms).

- Describing the operation principles of electronic devices such as: diode, photovoltaic cell.

- Describing the fundamental properties of various classes of superconducting materials and their respective fields of application.

- Describing the operation principles of a Josephson junction and its possible applications.

- Describing the processes for the synthesis and lithography of semiconducting and superconducting materials used in device fabrication.

- Evaluating and solving experimental issues in the electrical characterization of devices at low-temperature and in the characterization of photovoltaic devices.

After having completed the course, the student will have:

- Theoretical knowledge in the modeling of semiconducting and superconducting materials

- Theoretical knowledge in the modeling of electronic devices based on semiconducting and superconducting materials

- Experimental knowledge in the characterization of the above-mentioned materials and devices.

Oggetto:

Results of learning outcomes

Conoscenza e capacità di comprensione:

- comprensione dei concetti alla base delle proprietà dei materiali semiconduttori e superconduttori, 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 ed a superconduttore

Capacità di applicare conoscenza e comprensione:

- capacità di comprendere e padroneggiare i modelli fisici fondamentali che descrivono le funzionalità di dispositivi a semiconduttore ed a superconduttore

- saper organizzare, analizzare, presentare e discutere dati sperimentali

Knowledge and understanding:

- understanding the basic concepts on the properties of semiconducting and superconducting materials and of related devices

- understanding of the functionalities of laboratory equipment and of relevant experimental techniques for the characterization of semiconducting and superconducting devices

Applying knowledge and understanding:

- ability to understand and manage fundamental physical models to interpret the functionalities of semiconducting and superconducting devices

- basic skill in organizing, analyzing, presenting and discussing experimental data.

Oggetto:

Course delivery

Il corso è organizzato in 5 CFU (40 ore) di didattica frontale e 1 CFU (10 ore) di didattica di laboratorio.

The course is organized in 5 credits (40 hours) of frontal lectures and 1 credit (10 hours) of laboratory activities.

Oggetto:

Learning assessment methods

Esame orale con discussione delle relazioni sulle attività di laboratorio e domande sugli argomenti trattati nelle lezioni fondamentali.

Oggetto:

Program

Semiconduttori:

- Concetti introduttivi sulla fisica dei semiconduttori: struttura cristallina, bande energetiche

- Statistica dei portatori di carica in semiconduttori intrinseci ed estrinseci

- Meccanismi di trasporto di carica e teoria di Shockley-Read-Hall

- Giunzione pn

- Dispositivi fotovoltaici

- Transistor a giunzione bipolare

 Superconduttori:

- Fenomenologia della superconduttività:

  • Variabili sperimentali, aspetti termodinamici della transizione superconduttiva, superconduttività di tipo I e II
  • Struttura e dinamica dei vortici, pinning
  • Equazioni di London

- Modello quantistico macroscopico:

  • Quantizzazione del flusso di campo magnetico
  • Effetto Josephson
  • Principio di funzionamento dello SQUID

- Tipologie di materiali superconduttori:

  • Materiali a bassa, media ed alta Tc
  • Tecniche di sintesi e applicazioni

Esperienze di laboratorio:

- Semiconduttori: Caratterizzazione dei parametri di funzionamento di una cella fotovoltaica

- Superconduttori: Misura delle caratteristiche I-V nei superconduttori YBCO o BSCCO, misure del libero cammino medio e del raggio ionico in metalli normali 

Semiconductors:

- Introductory concepts on semiconductor physics: crystal structure, energy bands

- Charge carrier statistics in intrinsic and extrinsic semiconductors

- Charge transport mechanisms and Shockley-Reed-Hall theory

- PN junction

- Photovoltaic devices

- Bipolar junction transistor

Superconductors:

- Phenomenology of superconductivity:

  • Experimental variables, themodynamics of the superconducting transition, type I and type II superconductivity
  • Structure and dynamics of vortexes, pinning
  • London equations

- Macroscopic quantum model:

  • Quantization of the magnetic flux
  • Josephson effect
  • Operation principle of the SQUID.

- Different kinds of superconducting materials:

  • Low, medium and high-Tc
  • Synthesis techniques and applications

 Practical classes:

- Semiconductors: characterization of the basic functional parameters of a photovoltaic cell

- Superconductors: measurement of the I-V characteristics of the YBCO or BSCCO superconductor, measurement of the mean free path and of the ionic radius for a normal metal

Suggested readings and bibliography

Oggetto:

  • S. M. Sze, “Semiconductor Devices - Physics and Technology”, John Wiley & Sons
  • J. I. Pankove, “Optical Processes in Semiconductors”, Dover
  • Terry P. Orlando, Kevin A. Delin : “Foundations of Applied Superconductivity”, Addison Wesley, Reading, Massachussets, 1991
  • Charles P. Poole, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick: Superconductivity, Academic Press, San Diego – London, 1995
  • Dispense fornite dal docente 

  • S. M. Sze, “Semiconductor Devices - Physics and Technology”, John Wiley & Sons
  • J. I. Pankove, “Optical Processes in Semiconductors”, Dover
  • Terry P. Orlando, Kevin A. Delin : “Foundations of Applied Superconductivity”, Addison Wesley, Reading, Massachussets, 1991
  • Charles P. Poole, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick: Superconductivity, Academic Press, San Diego – London, 1995 
  • Lecure notes and slides provided by the teachers.


Oggetto:

Note

Orario

# lezione
data
orario
aula
1
21/04/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
2
23/04/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
3
27/04/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9
4
28/04/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
5
30/04/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
6
04/05/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9
7
05/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
8
07/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
9
11/05/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9
10
12/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
11
14/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
12
18/05/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9
13
19/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
intro lab
20/05/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9

Appelli

# appello
data
orario
aula
1
23/06/2015
9:00-13:00
Avogadro, via Giuria 1
2
22/07/2015
9:00-13:00
Avogadro, via Giuria 1

Organizzazione delle lezioni

- 24 ore (3 CFU): lezioni frontali
- 16 ore (1 CFU): attività di laboratorio e lezioni ad esse introduttive

Frequenza

Lezioni frontali: frequenza facoltativa
Lezioni di laboratorio: frequenza obbligatoria ad un minimo del 70% delle ore previste

Da questo corso è mutuato il corso "Fisica dei Semiconduttori" attivato presso il corso di Laurea Magistrale in Fisica.

Timesheet

# lecture
date
time
room
1
21/04/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
2
23/04/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
3
27/04/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9
4
28/04/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
5
30/04/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
6
04/05/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9
7
05/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
8
07/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
9
11/05/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9
10
12/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
11
14/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
12
18/05/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9
13
19/05/2015
9:00-11:00
D1, via Giuria 9
intro lab
20/05/2015
11:00-13:00
D1, via Giuria 9

Exams

# exam
date
time
room
1
23/06/2015
9:00-13:00
Avogadro, via Giuria 1
2
22/07/2015
9:00-13:00
Avogadro, via Giuria 1

Organization of the lectures

The course is organized as follows:
- 24 hours (3 CFU): frontal lectures
- 16 hours (1 CFU): laboratory sessions and relevant introductory lectures

Attendance

Frontal lectures: optional
Laboratory lectures: compulsory (minimum 70% of planned hours)

The "Semiconductor Physics" course activated at the Physics Master
Degree is mutuated from this course.

Oggetto:
Last update: 18/05/2015 11:12
Location: https://www.materials-science.unito.it/robots.html
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