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Solid State Physics/A

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Solid State Physics/A

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Academic year 2016/2017

Course ID
CHI0027/A
Teacher
Prof. Paolo Olivero (Titolare del corso)
Modular course
Degree course
Corso di Laurea in Scienza dei Materiali (D.M. 270)
Year
1° anno
Teaching period
Secondo semestre
Type
Caratterizzante
Credits/Recognition
6
Course disciplinary sector (SSD)
FIS/03 - fisica della materia
Delivery
Tradizionale
Language
Italiano
Attendance
Facoltativa
Type of examination
Orale
Prerequisites

Concetti fondamentali di fisica dello stato solido (struttura cristallina, teoria delle bande elettroniche, portatori di carica, etc), contenuti dei seguenti corsi della laurea Triennale in Scienza e Tecnologia dei Materiali:
- "Metodologie di caratterizzazione dei materiali con laboratorio"
- "Materiali per l'elettronica con laboratorio"


Basic concepts of solid state physics (crystal structure, electronic bands, charge carriers, etc) included in the following courses of the Bachelor Degree in Materials Science and Technology:
- "Material characterization methods"
- "Materials for electronics with laboratory"
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Sommario del corso

Oggetto:

Course objectives

- Fornire i concetti di base nella fisica dei semiconduttori (statistica dei portatori, meccanismi di conduzione, teoria di Shockley-Read-Hall).

- Fornire le conoscenze di base della fisica dei più importanti dispositivi elettronici (giunzioni p-n e Schottky, transistors a giunzione bipolare e a effetto di campo, dispositivi CCD).

- Introdurre le procedure di caratterizzazione sperimentale of giunzioni bipolari e celle celle fotovoltaiche.

- To provide the basic knowledge on the physics of semiconductor devices (carrier statistics, conduction mechanisms, Shockley-Read-Hall theory).

- To provide the basic knowledge of the physics of the most important electronic devices (p-n and Schottky junctions, bipolar junction and field effect transistors, CCD devices).

- To introduce the experimental procedures for the characterization of bipolar junctions and photovoltaic devices.

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Results of learning outcomes

Conoscenza e capacità di comprensione:

  • Comprensione dei concetti alla base delle proprietà elettriche dei materiali semiconduttori e dei dispositivi basati su di essi (giunzioni bipolari e Schottky, celle fotovoltaiche, transistors).
  • Comprensione delle modalità di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali per la caratterizzazione di giunzioni bipolari e dispositivi fotovoltaici.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

  • Capacità di comprendere e padroneggiare i modelli fisici fondamentali per l'interpretazione dei fenomeni di trasporto elettrico nei semiconduttori e di funzionamento dei principali dispositivi basati su di essi (giunzioni bipolari e Schottky, celle fotovoltaiche, transistors)
  • Capacità di effettuare misure di laboratorio seguendo un adeguato protocollo sperimentale per la caratterizzazione di giunzioni bipolari e dispositivi fotovoltaici


Knowledge and understanding

  • Understanding the basic concepts on the electrical properties of semiconducting materials and of related devices (bipolar and Schottky junctions, photovoltaic cells, transistors).
  • Understanding of the functionalities of laboratory equipment and of relevant experimental techniques for the characterization of bipolar junctions and photovoltaic devices.

Applying knowledge and understanding

  • Ability to understand and manage fundamental physical models to interpret charge transport mechanisms in semiconductors, as well as the functionalities of main related devices (bipolar and Schottky junctions, photovoltaic cells, transistors).
  • Ability to take experimental measurements, adopting a suitable experimental protocol for the characterization of bipolar junctions and photovoltaic devices
Oggetto:

Course delivery

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

La frequenza alle lezioni frontali è facoltativa, mentre è obbligatoria (frequenza minima 70%) per le sessioni di laboratorio.

I primi 3 CFU di didattica frontale saranno erogati in lingua inglese. La lingua in cui si terranno gli ultimi 2 CFU sarà concordata con gli studenti, sulla base delle loro richieste e della eventuale presenza di studenti stranieri.

Da questo modulo sono mutuati il corso Fisica dei Semiconduttori attivato presso il corso di Laurea Magistrale in Fisica e parte del corso Solid State Physics per il master inter-ateneo MaMaSELF.

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

The attendance to the frontal lectures is optional, while it is compulsory (minimum 70% attendance) for the laboratory sessions.

The first 3 credits of frontal lectures will be given in English language. The last 2 credits of frontal lectures will be given either in Italian or English, on the basis of the students' requests and of the presence of foreign students in the class.

The Semiconductor Physics course activated at the Physics Master  Degree and part of the Solid State Physics course activated at the MaMaSELF inter-university Master Degree are mutuated from this module.

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Learning assessment methods

L'esonero relativo a questo modulo consisterà in un colloquio orale della durata di circa 30 minuti in cui si valuteranno:

- la comprensione dei contenuti delle lezioni frontali, sia per quanto riguarda la derivazione delle formulazioni che la risoluzione di semplici esercizi numerici;

- i contenuti delle relazioni delle attività integrative di laboratorio, che gli studenti sono chiamati a produrre a gruppi e consegnare almeno una settimana prima dell'esame.

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

The partial exam for this module will consist in an oral colloquium of about 30 minutes in which the following aspects will be evaluated:

- understanding of the contents of the frontal lectures, both with regards to the derivation of the formalism presented in the lectures and to the solution of simple numerical problems;

- contents of the reports of the supporting laboratory activities, which the students must produce in groups and deliver at least one week before the exam.

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.

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Support activities

Attività di supporto

Attività in laboratorio:

- caratterizzazione di una cella fotovoltaica;

- caratterizzazione di una giunzione p-n a temperatura ambiente e in funzione della temperatura.

Laboratory activities:

- characterization of a photovoltaic cell;

- charcaterization of a p-n junction at room temperature and at variable temperature.

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Program

- Breve richiamo ai concetti basilari della fisica dei semiconduttori

- Modello "Tight binding"

- Statistica dei portatori in semiconduttori intrinseci ed estrinseci

- Teoria di Shockley-Read-Hall

- Meccanismi di trasporto nei semiconduttori

- Giunione p-n: derivazione della legge del diodo, diodo non ideale

- Fisica e aspetti tecnologici dei dispositivi fotovoltaici

- Giunione metallo-semiconduttore: diodo Schottky

- Tecnica DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy)

- Transistors: giunzione bipolare, JFET, MOSFET

- Dispositivi "Charge coupled device" (CCD)

- Short review on basic concepts in semiconductor physics

- Tight binding model

- Carrier statistics in intrinsic and extrinsic semiconductors

- Shockley-Read-Hall theory

- Charge transport mechanisms in semiconctors

- p-n junction: derivation of the diode law, non-ideal diode

- Physics and technological aspects of photovoltaic devices

- Metal-semiconductor junction: Schottky diode

- Deep level transient spectroscopy

- Transistors: bipolar junction, JFET, MOSFET

- Charge coupled devices

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Suggested textbooks and readings

[1] S.M.Sze, "Semiconductor Devices, Physics and Technology, 2nd edition", John Wiley and Sons, USA, 2002

[2] A.S.Grove, "Fisica e tecnologia dei dispositivi a semiconduttore", 4a edizione, Ingegneria elettrica Franco Angeli, Milano 1985

[3] M.Shur, “Physics of semiconductor devices”, Prentice Hall series in Solid State electronics,New Jersey, 1990.

[3] J. I. Pankove, “Optical Processes in Semiconductors”, Dover

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Class schedule

Lezioni: dal 01/03/2016 al 10/06/2016

Nota: Per l'orario delle lezioni consultare la pagina "Orario Lezioni" http://scienzadeimateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

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Note

Orario lezioni frontali

# lezione
data
orario
aula
1
20/04/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
2
21/04/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
3
27/04/2017
9:00-11:00 
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
4
28/04/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
5
02/05/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
6
04/05/2017
9:00-11:00 
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
7
05/05/2017
9:00-11:00 
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
8
15/05/2017
11:00-13:00 
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
9
16/05/2017
9:00-11:00 
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
10
17/05/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
11
 18/05/2017
 9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
lab intro
 18/05/2017
14:00-16:00 
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
12
19/05/2017
9:00-11:00
 aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
13
22/05/2017
11:00-13:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9 
14
23/05/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
15
25/05/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
16
26/05/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
17
29/05/2017
11:00-13:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
18
30/05/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
19
31/05/2017
9:00-11:00
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9
20
01/06/2017
9:00-11:00 
aula D1, 5° piano, via P. Giuria 9

Orario laboratorio

data
Gruppo 1
Gruppo 2
Gruppo 3
Gruppo 4
   
 
 
 
 
  
 
 
 
 
       
 
 
 
   
 
 
 
 
 
         

Esperienza A: caratterizzazione elettrica in temperatura di una giunzione PN

Esperienza B: caratterizzazione elettrica di celle fotovoltaiche (1)

Esperienza C: caratterizzazione elettrica di celle fotovoltaiche (2)

Composizione gruppi di laboratorio

# gruppo
membri
1
 
2
 
3
 
4
 

Appelli

# appello
data
orario
aula
1
27/06/2017
9:00
TBA
2
07/07/2017
9:00
TBA
3
18/09/2017
9:00
TBA

Frontal lectures timesheet

# lecture
date
time
room
1
20/04/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
2
21/04/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
3
27/04/2017
9:00-11:00 
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
4
28/04/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
5
02/05/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
6
04/05/2017
9:00-11:00 
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
7
05/05/2017
9:00-11:00 
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
8
15/05/2017
11:00-13:00 
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
9
16/05/2017
9:00-11:00 
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
10
17/05/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
11
 18/05/2017
 9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
lab intro
 18/05/2017
14:00-16:00 
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
12
19/05/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
13
22/05/2017
11:00-13:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
14
23/05/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
15
25/05/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
16
26/05/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
17
29/05/2017
11:00-13:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
18
30/05/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
19
31/05/2017
9:00-11:00
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9
20
01/06/2017
9:00-11:00 
room D1, 5th floor, via P. Giuria 9

Laboratory timesheet

date
Group 1
Group 2
Group 3
Group 4
   
 
 
 
 
  
 
 
 
         
   
 
   
   
 
 
 
         

Lab session A: electrical characterization in temperature of a PN junction

Lab session B: electrical characterization of photovoltaic cells (1)

Lab session C: electrical characterization of photovoltaic cells (2)

Composition of lab groups

# group
members
1
 
2
 
3
 
4
 

Exams

# exam
date
time
room
1
27/06/2017
9:00
TBA
2
07/07/2017
9:00
TBA
3
18/09/2017
9:00
TBA

 

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Last update: 26/04/2017 18:35
Location: https://www.materials-science.unito.it/robots.html
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