Fisica dei Dispositivi Elettronici - INFN

Corso di IntroduzioneLaurea in InformaticaCorso di Fisica dei Dispositivi ElettroniciDocente: Leonello Servolic/o: Dipartimento di FisicaE-Mail: leonello.servoli@pg.infn.itSito web: http://cms.pg.infn.it/servoliTel. 075-5852706Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli1

Libri e OrariLibro: Microelettronica; J. Millman, A.Grabel (Mc GrawHill)Consultazione:Dispositivi a Semiconduttore; S.M. SzeBiblioteca Scientifica HoepliElettronica Integrata Digitale; E. Taub, D. Schilling (GruppoEditoriale Jackson)Orari (Dip. Fisica):Martedì 9-11 Lab. DAQGiovedì 9-11 Lab. DAQCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli2

Informazioni varie sul corso• Il corso vale 6 crediti.• Durante il corso si svolgeranno esperienze dilaboratorio con relazioni finali (obbligatorie).• Gli esami consistono in un colloquio e in unadiscussione delle relazioni.• L’orario di ricevimento ufficiale è:Lunedì dalle 9 alle 10.Oppure su appuntamento.Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli4

Modello Atomo IdrogenoProtoneElettroneR = 0.529x10 -10 m= 0.0529 nm• Quantizzazione delle orbite solo alcune orbite sono permesse;• Principio di esclusione del Pauli: solo due elettroni per ogni orbita;• Energia di legame: energia da somministrare all’elettrone persepararlo dal nucleo;• Le orbite sono ordinabili, rispetto alla energia di legamedecrescente, secondo la seguente serie: (1s), (2s,2p),(3s,3p,3d), etc….(1 orbita di tipo s, 3 orbite di tipo p, 5 di tipo d, etc.)Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli5

Orbitali (1)In realtà piuttosto chedi orbite si parla diorbitali, intendendo contale termine ladistribuzione in 3dimensioni dellaprobabilità di trovarel’elettrone in quelparticolare punto.Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli6

Orbitali (2)spdCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli7

Orbitali (3)Un sistema atomico è tanto più stabile quanto più il livellopiù esterno degli elettroni è completo.Per i primi livelli:• Livello 1: 2 (1 orbitale s x 2 elettroni)• Livello 2: 8 (1 orbitale s + 3 p x 2 elettroni)• Livello 3: 8 (1 orbitale s + 3 p x 2 elettroni)• Livello 4: 18 (1 orbitale s + 3 p + 5 d x 2 elettroni)• Livello 5: 18 (1 orbitale s + 3 p + 5 d x 2 elettroni)• Livello 6: 32 (1 orbitale s + 3 p + 5 d + 7 f x 2 elettroni)Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli8

Tabella PeriodicaMonovalentiGas NobiliCarbonioSilicioGermanioTetravalentiCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli9

Configurazione elettronica CarbonioCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli10

Configurazione elettronica SilicioCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli11

Configurazione elettronica GermanioCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli12

Ibridazione degli orbitali s+p 2 sp+=Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli13

Ibridazione degli orbitali s+2p 3 sp 2Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli14

Ibridazione degli orbitali s+3p 4 sp 3Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli15

Legami tra atomi (1)Una molecola è la più piccola unità di un materialeche mantiene le proprie caratteristiche chimiche.Es. Acqua: H 2O, Ossigeno: O 2, Helio: He;Una molecola è formata da uno o più atomi,anche di diverse specie, tenuti assieme dailegami atomici.Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli16

Legami tra atomi (2)• Gli atomi si legano poiché tendono adassumere uno stato il più stabile possibile,dal punto di vista energetico; tale obiettivosi ottiene in genere “condividendo” glielettroni degli orbitali più esterni.Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli17

Legami tra atomi (3)Ci sono vari tipi di legami atomici:• Legame polare• Legame covalente• Legame metallicoCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli18

Legame PolareMancanza di un elettronenell’orbitale esternoPresenza di un elettroneNaClNa + Cl - Nel legame polare un elettrone vienecompletamente ceduto all’altroatomo e si formano due ioni che siattraggono perché aventi caricheopposte.Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli19

Legame Covalente (1)Elettroni in comuneO+OOONel legame covalente gli elettroni vengono messi in comune trai due atomi pariteticamente.Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli20

Legame Covalente (2)s+ss+pp+p : σp+p : πCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli21

Legame MetallicoNel legame metallico gli elettroni vengono messi in comune tratutti gli atomi pariteticamente.Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli22

Struttura della Materia (1)La materia si organizza in diversi modi:• forma gassosa: ogni molecola è essenzialmenteindipendente dalle altre(es. gas, vapori)• forma liquida: ogni molecola è legata debolmentealle altre (scarsa resistenza a forze esterne)• forma solida: ogni molecola è fortemente legataalle altre circostanti, definendo strutturepermanenti.Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli23

Struttura cristallina del diamante (ibrido sp 3 )Distanza interatomicao passo del reticoloCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli25

Legame tetraedricoCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli26

Bande di energiaAd ogni orbitale è associata una energia dilegame.Es. livello 1s atomo di idrogeno = -13,6 eV = -21,76x10 -19 JouleQuando ci sono molti atomi distanti i livelli di energia sono gli stessi;se gli atomi si avvicinano e quindi interagiscono, i livelli di energiatendono a differenziarsi di poco l’uno dall’altro.Per una struttura cristallina con N atomi, avremo N livelli inizialmentesovrapposti che si separano leggermente al diminuire della distanzaInteratomica. (N=10 23 )Corso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli27

N A= 10 23Bande di valenza (1)Livello ionizzazioneLivello valenzaCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli28

N A= 10 23Livello ionizzazioneLivello valenzaCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli29

N A= 10 23Banda ProibitaLivello ionizzazioneLivello valenzaCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello Servoli30

BANDA DICONDUZIONE VUOTABande di valenza (2)E g~ 9 eVBANDA DIVALENZAOCCUPATAE g~ 1 eVIsolanteSemiconduttoreCorso Fisica dei Dispositivi ElettroniciLeonello ServoliConduttore31