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Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttori D. Cavalcoli *, A. Cavallini, B. Fraboni M.Canino, F. Fabbri, L. Rigutti, M.Rossi Università di.

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Presentazione sul tema: "Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttori D. Cavalcoli *, A. Cavallini, B. Fraboni M.Canino, F. Fabbri, L. Rigutti, M.Rossi Università di."— Transcript della presentazione:

1 Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttori D. Cavalcoli *, A. Cavallini, B. Fraboni M.Canino, F. Fabbri, L. Rigutti, M.Rossi Università di Bologna, Dipartimento di Fisica, Gruppo semiconduttori Corso-Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO *

2 Motivazioni Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Comportamento di elettroni e fotoni in semiconduttori Proprietà ottiche ed elettriche del materiale Principi di funzionamento di dispositivi optoelettronici

3 Argomenti Corso: 1.Interazione radiazione-materia nei semiconduttori 2.Proprietà ottiche ed elettriche dei semiconduttori 3.Disposivi a semiconduttore, principi di funzionamento Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Equazioni di Maxwell nella materia, definizione dei proprietà elettriche e ottiche (Modello macroscopico e microscopico). celle solari fotovoltaiche, LED, LASER Laboratori: 1.Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un semiconduttore per applicazioni sensoristiche. 2.Misura delle proprietà ottiche di semiconduttori elementari e composti. 3.Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori. I seminari (insegnanti): Verranno illustrate le ricerche attive nel Gruppo Semiconduttori, nel dettaglio lo studio delle proprietà elettriche e ottiche, di proprietà morfologiche e strutturali con metodiche microscopiche, lo studio di dispositivi e dei meccanismi di danno.

4 Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO I LABORATORI

5 1. Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un semiconduttore per applicazioni sensoristiche (Tecnica TLM). Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO La misura che verrà eseguita è una caratterizzazione TLM (Transmission Line Method) che permette di estrarre parametri elettrici del campione (film sottili di SiC, carburo di silicio, utilizzati per sensori di pressione e sistemi micro- e nano-elettromeccanici) GF = (1/ ) R/R GF (3C-SiC) [3-32] Il principio di funzionamento dei sensori di pressione si basa sulleffetto piezoresistivo, ossia la variazione di resistività di un materiale sottoposto ad una deformazione. Lentità della variazione è determinata dal GF.

6 R bulk RcRcRcRc RcRcRcRc W t ld w R total = 2R c + [ / (w t)] l A V I vs V slope = 1 / R total 1. Tecnica TLM Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO

7 R total = 2R c + [ / (w t)] l slope / (w t) 2R c l R total 1. Tecnica TLM: estrazione dei parametri elettrici Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO

8 2. Misura delle proprietà ottiche di semiconduttori elementari e composti (ottiche) Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Misure di trasmissione ed assorbimento della luce da parte di materiali semiconduttori e/o di dispositivi basati su tali materiali.

9 Un fotone di energia maggiore o uguale al gap tra banda di valenza e banda di conduzione puo` produrre transizioni di elettroni da banda di valenza a banda di conduzione. Nella transizione il fotone viene assorbito. Un fotone di energia minore del gap tra banda di valenza e banda di conduzione non può produrre transizioni e viene trasmesso. Gli elettroni promossi in banda di conduzione aumentano la conducibilità del materiale (fotoconducibilità) 2.Ottiche. Principio delleffetto fotoelettrico interno Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO h >E gap h

10 Luce bianca superiore Illuminazione con fotoni di energia superiore al gap h >E gap (

11 Luce bianca inferiore Illuminazione con fotoni di energia inferiore al gap h hc/E gap ) Luce monocromatica La luce viene trasmessa dal campione Segnale alto del sensore piroelettrico Non vengono generati portatori liberi di carica: segnale basso del sensore di fotoconducibilità Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 2. Ottiche. Principio della misura

12 2. Ottiche. Dettaglio degli strumenti. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Reticolo Lampada

13 3. Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Misura di (funzione sia della densità degli elettroni n che della loro mobilità ) vs T metalli e semiconduttori T: 80K - 450K. =1/ = q n

14 3. Elettriche. Risultati. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO METALLI n costante con T, varia perché varia la R cresce con T : R R o (1+βt), R o R(0), e β=δR/(R o δt) coefficiente di temperatura del metallo. =1/ = q n estrinseco n da drogante, da intrinseco SEMICONDUTTORI Sia n che variano con T. Due processi: estrinseco (basse T) se n dal drogante, intrinseco (alte T) n dai portatori intrinseci. Ad alte T n i crescono secondo la legge n i = cost exp[-Eg/(2kT)], ln(R) vs. 1/T e' una retta di pendenza Eg/(2k): dalla pendenza della retta si ottiene il valore del gap energetico del Ge estrapolato a T=0K ovvero Eg(0)=0.78 eV

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16 Fine Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO

17 Tempi/modalità Progetto A: Corso-laboratorio per gli studentiProgetto A: Corso-laboratorio per gli studenti –2 pomeriggi di 4 ore ciascuno di lezioni frontali –3 pomeriggi di 4 ore ciascuno di laboratorio (Marzo- Aprile) Max 15 studenti per 3 laboratori, 5 per laboratorio, a turno. Progetto B: Corso-laboratorio per gli insegnantiProgetto B: Corso-laboratorio per gli insegnanti – 2 pomeriggi di 2-3 ore ciascuno (seminari sullattività di ricerca), –3 pomeriggi di di laboratorio: progettazione esperimenti e preparazione di materiale multimediale. (Gennaio) Max 5 docenti, –(dobbiamo già definire le date?) Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO

18 Le lezioni/i seminari Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Le lezioni (studenti): Interazione radiazione materia, equazioni di Maxwell nella materia, definizione dei parametri elettrici (resistività, conducibilità, costante dielettrica,..). Proprietà ottiche, modello macroscopico. Definizione parametri ottici: riflettanza, trasmittanza, assorbanza...Modello macroscopico e microscopico. Alcune applicazioni: dispositivi optoelettronici (celle solari fotovoltaiche, LED, LASER). I seminari (insegnanti): Verranno illustrate le ricerche attive nel Gruppo Semiconduttori, nel dettaglio lo studio delle proprietà elettriche e ottiche, di proprietà morfologiche e strutturali con metodiche microscopiche, lo studio di dispositivi e dei meccanismi di danno

19 Resistività di contatto J = i / A densità di corrente Corrente (i) Area (A) c = ( J/ V) -1 [ cm 2 ] resistività di contatto

20 Processo di realizzazione dei sensori di pressione (2) compressioneestensione Piezoresistività in 3C-SiC GF = (1/ ) R/R GF (3C-SiC) [3-32] dipende dalla qualità e dallorientazione cristallografica del campione dimuisce allaumentare del doping appare costante alle variazioni di T° J.S. Shor et al., IEEE Trans. on Electr. Devices 40 n°6, 1093 (1993) J.Strass et al., Proc. Transducers 97, Chicago Y. Onuma et al., Springer Proc. In Physics 34, 142 (1987)


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