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I metalli e i semiconduttori, le proprietà elettriche. Applicazioni: i sensori,.. dott.ssa Daniela Cavalcoli Dip di Fisica Università di Bologna.

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1 I metalli e i semiconduttori, le proprietà elettriche. Applicazioni: i sensori,.. dott.ssa Daniela Cavalcoli Dip di Fisica Università di Bologna

2 Avvertenza Per utilizzare questo file in tutte le sue funzioni e vedere le animazioni, conviene salvare la presentazione su una cartella del proprio computer insieme al file-archivio VIDEO.RARVIDEO.RAR Una volta decompresso larchivio, verranno create due sottocartelle /video/Cap01 e /video/Cap02 contenenti i filmati. Filmati: R. Fieschi Dal silicio al computer proprietà ed applicazioni dei semiconduttori. Versione on-line:

3 Indice Andiamo a vedere cosa succede dentro un solido! Dal macroscopico al microscopico. –I legami chimici. –Il legame covalente I metalli I semiconduttori La conducibilità elettrica –La struttura a bande –Dipendenza della conducibilità elettrica dalla temperatura Le applicazioni e lattività di ricerca

4 Dal macroscopico al microscopico. (animazione).

5 Che cosè un solido? atomi molecole solidi Quando due atomi vengono avvicinati tra loro, si genera una forza che causa una distorsione delle loro nubi elettroniche ed un cambiamento dei livelli energetici. ANIMAZIONEANIMAZIONE: le molecole Durante la formazione dei legami chimici, gli atomi raggiungono una situazione di maggiore stabilità. Lenergia totale del sistema costituito dai due atomi legati insieme è minore dellenergia totale del sistema costituito dai due atomi separati. ENERGIA (a)(a) (b)(b) Atomo: struttura atomica. Richiamo ANIMAZIONE ANIMAZIONE orbitali atomici ad ogni orbitale un livello energetico (discreto) ANIMAZIONEANIMAZIONE: gli atomi

6 I legami covalente, ionico, metallico Elettronegatività è una grandezza che misura la forza con cui ogni atomo tiene legati a sé i suoi elettroni Il legame covalente Il legame covalente (o omopolare) consiste in una distribuzione uniforme della carica elettronica nello spazio compreso tra i due atomi. Animazione Il legame ionico Un legame ionico si forma fra atomi che hanno una forte differenza di elettronegatività (> 1,7). Il legame metallico I metalli hanno bassa energia di ionizzazione (quantità di energia necessaria per strappare un elettrone a un atomo neutro) e di elettronegatività. Quindi i loro elettroni esterni sono attratti debolmente dai rispettivi nuclei, e se ne separano facilmente. Animazione: i metalli, struttura elettronica

7 I metalli La libertà di movimento degli elettroni è allorigine delle proprietà dei metalli (animazione) Circa i quattro quinti di tutti gli elementi sono metalli, che sono tutti solidi tranne il mercurio (Hg). conducibilità elettrica conducibilità termica lucentezza malleabilità e duttilità

8 Il legame covalente e metallico. Distribuzione degli elettroni Il legame covalente si esercita tra molte delle molecole esistenti: Biatomiche (H 2, N 2, O 2..) Poliatomiche(CO 2, CH 4, ecc.) in alcune molecole organiche in molti solidi (diamante, Si,Ge ecc.) Gli elettroni che possono prendere parte ad un legame covalente sono detti elettroni di valenza Come si forma un solido? Dagli orbitali atomici agli orbitali cristallini (animazione) (animazione) In che modo la struttura elettronica di un solido dipende dal legame chimico? (animazione)

9 I solidi Un solido è costituito da atomi o molecole legati tra di loro in modo rigido Cristalli disposizione regolareEsempi: silicio,SiC,GaN Amorfi disposizione irregolareEsempi: vetro, silicio- poli e multi-c Animazione

10 Solidi cristallini - Legame covalente. Un esempio: il diamante carbonio puro Esistono solidi in cui gli atomi sono legati luno allaltro da legami covalenti e costruiscono ununica struttura (dove non si individuano singole molecole). Un esempio è il diamante, costituito da carbonio puro. Ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi di carbonio, disposti intorno ad esso secondo i vertici di un tetraedro. Il carbonio è inoltre protagonista di un fenomeno importante: il polimorfismo dei solidi. Una certa sostanza cambiando temperatura e pressione durante la crescita, può assumere forme cristalline diverse.

11 La grafite Il diamante Polimorfismo

12 La conducibilità elettrica dei solidi Isolanti Conduttori Semiconduttori

13 A. Volta L Galvani Perché i solidi si comportano in modo così diverso rispetto alla conduzione elettrica? Definiamo innanzitutto che cosa è la conduzione elettrica M Faraday

14 Legge di Ohm, conducibilità elettrica Corrente elettrica e legge di Ohm corrente Prima legge di Ohm, R= resistenza elettrica Seconda legge di Ohm, ρ resistività σ = 1/ρ σ conducibilità Qual è il meccanismo microscopico della conduzione elettrica nei solidi? Il modello di Drude G.S. Ohm P Drude

15 I solidi hanno diverse conducibilità o resistività? I Metalli. Gli elettroni sono liberi di muoversi. La conducibilità diminuisce con la temperatura. I Semiconduttori. Allo zero assoluto non cè conducibilità elettrica e la conducibilità cresce con la temperatura. Gli isolanti. Conducibilità zero in un ampio intervallo di temperature. Resistività ( cm) Materiale <10 -3 Metalli < <10 5 Semiconduttori >10 5 Isolanti E come variano questi parametri con la temperatura?

16 Perché? Come possiamo interpretare questo a livello microscopico? E FermiP Dirac C Maxwell L Boltzmann

17 Formazione delle bande nei solidi Consideriamo un solido fatto con con una sostanza che abbia un solo orbitale s. Quando il numero di atomi che hanno orbitali che si sovrappongono cresce diminuisce la distanza tra i livelli energetici degli orbitali. Nel caso di N atomi (N= ) i livelli energetici sono così vicini che appaiono come un continuo. Animazione: bande di energia

18 Riempimento delle bande nei solidi Le diverse proprietà elettriche derivano dal diverso riempimento delle bande di energia nei solidi Come avviene questo riempimento? animazione

19 A T = 0, tutti i livelli nella banda di conduzione sotto lenergia di Fermi E F sono riempiti con elettroni, mentre tutti i livelli al di sopra di E F sono vuoti. Gli elettroni sono liberi di muoversi negli stati vuoti della banda anche con solo un debole campo E, elevata conducibilità elettrica! A T > 0, gli elettroni hanno una certa probabilità non nulla di essere termicamente eccitati da sotto a sopra il livello di Fermi. Diagramma a bande: metallo T > 0 Funzione di Fermi Bande di energia da riempire EFEF E C,V Banda di conduzione parzialmente piena E = 0

20 Diagramma a bande: isolante At T = 0, la banda di valenza è piena di elettroni mentre la banda di conduzione è vuota, conducibilità zero. –Energia di Fermi E F è a metà di un largo gap energetico (2-10 eV) tra la banda di valenza e di conduzione. NON conducibilità zeroA T > 0, gli elettroni NON sono eccitati termicamente dalla banda di valenza alla banda di conduzione conducibilità zero. Nota: KT a T=300K è pari a eV, quindi < 0

21 Diagramma a bande: semiconduttore non drogato conducibilità zeroA T = 0, la banda di valenza è piena di elettroni e la banda di conduzione vuota conducibilità zero. –Lenergia di Fermi E F è a metà di un gap piccolo (<1 eV) tra la banda di conduzione e la banda di valenza. conducibilità misurabileA T > 0, gli elettroni vengono eccitati termicamente dalla banda di valenza alla banda di conduzione,conducibilità misurabile. EFEF ECEC EVEV Banda di conduzione (parzialmente piena) Banda di valenza (parzialmente vuota) T > 0

22 Bande di energia per alcuni solidi

23 Quindi un semiconduttore non drogato si comporta quasi come un isolante Vediamo cosa vuol dire drogare un semiconduttore –Animazione drogare n es P in SiAnimazione drogare n es P in Si –Animazione drogare p es B in SiAnimazione drogare p es B in Si Drogare (doping) = aggiungere impurezze (poche!) Aggiungendo queste poche impurezze la conducibilità cambia drasticamente! animazioneanimazione Concentrazione di impurezze (es doping in Si): = cm -3 /10 22 cm -3 = piccola rispetto alla densità atomica del materiale!

24 Perché i solidi hanno diverse caratteristiche elettriche? A causa del loro diverso diagramma a bande! Animazione 1(isolanti e conduttori)Animazione 1 Animazione 2(semiconduttori)Animazione 2

25 E come varia la resistività elettrica con la temperatura? Dalla teoria classica della conduzione elettrica nei solidi (modello di Drude) si ottiene che: Scattering time τ è il tempo medio tra le collisioni elettrone-atomi del reticolo n concentrazione elettronica, μ mobilità v d = μE Metallo: resistenza cresce con T Perchè? T Semiconduttore: la resistenza decresce con T. Perchè? T, n (la T libera elettroni per la conduzione) Animazione 1

26 R(T) per un metallo cammino libero medio fra urti successivi T τ, ρ Per un metallo al crescere di T aumenta ρ e quindi R Velocità termica

27 Semiconduttori: cresce la densità elettronica n Animazione 2 Animazione 2 Che cosa succede per un semiconduttore? Comportamento di R vs T metalli e semiconduttori Animazione 1

28 Riassumendo un semiconduttore ha: A T= 0K: -banda di valenza completamente occupata - banda di conduzione completamente vuota - piccolo gap di energie proibite E g = 1,1 eV (Si); 0,7 eV (Ge); 1,4 eV (GaAs) A T>0K: - un elettrone può essere eccitato dalla banda di valenza a quella di conduzione - ogni elettrone che passa in banda di conduzione lascia un posto vuoto (buca) in banda di valenza - anche la buca in banda di valenza è mobile, perché può essere occupata da un elettrone che lascia a sua volta una buca e così via - sotto lazione di un campo elettrico esterno il moto di deriva avviene sia in banda di conduzione che in banda di valenza due contributi alla conducibilità: contributo degli elettroni in banda di conduzione contributo delle buche in banda di valenza

29 resistenza elettrica in semiconduttori debolmente drogati zona estrinseca: tutti i portatori di maggioranza sono in banda di conduzione, la resistenza elettrica cresce linearmente con T perché cala la mobilità zona intrinseca: i portatori intriseci cominciano a passare con crescente probabilità in banda di conduzione, la resistenza elettrica diminuisce esponenzialmente con T perché cresce la densità n di portatori

30 Conduciblità, semiconduttore drogato (tipo n) in regime estrinsecoA basse T, in regime estrinseco –N d >> n i ; n>>p, n= N d + n i N d –n è indipendente da T, quindi σ = neμ = N d eμ(T) – σ vs T come μ vs T (μT -3/2 ) in regime intrinsecoA T maggiori, in regime intrinseco –gli elettroni saltano in banda di conduzione, N d << n i, –n n i, σ=neμ e + peμ h visto che μ indip da T σ vs T come n i, vs T, in particolare n iT 3/2 exp(-E g /2KT) Un plot semilogaritmico di σ vs T fornisce una linea retta di pendenza Eg(0)/2K

31 Per saperne di più S.M. Sze, Fisica dei dispositivi a semiconduttore, Tamburini editore. R.Fieschi Stati e Trasformazioni della Materia, NIS La nuova Italia Scientifica. CD: R. Fieschi Dal silicio al computer proprietà ed applicazioni dei semiconduttori (in Italiano,versione on-line CD: R. Fieschi EDUMAT (italiano) CD: R. FieschiEDUMAT 2 (inglese) (per lacquisto: Infmedia S.r.l. pagina web:

32 Semiconduttori

33 Le applicazioni dei semiconduttori Le particolari proprietà fisiche dei semiconduttori li rendono adatti alla fabbricazione di vari dispositivi, quali: Diodi, transistor, circuiti integrati.Diodi, transistor, circuiti integrati. Fotorivelatori.Fotorivelatori. Laser (p.es. GaAs-AlGaAs)Laser (p.es. GaAs-AlGaAs) Sensori (di pressione, campo magnetico, ecc.)Sensori (di pressione, campo magnetico, ecc.) Termometri(Ge, Si, GaAs, ecc.)Termometri(Ge, Si, GaAs, ecc.) Celle fotovoltaiche(Si, GaAs, ecc.).Celle fotovoltaiche(Si, GaAs, ecc.).

34 Che cosa facciamo? Qual è la nostra ricerca? Gruppo Semiconduttori Settore di Fisica della Materia Dipartimento di Fisica Università di Bologna

35 Silicio Ex: applicazioni in microelettronica Il lingotto I wafer I dispositivi Il lingotto Le fette Le celle solari Celle solari trasparenti realizzate con film Si multicristallino Ex: applicazioni fotovoltaiche

36 La centrale fotovoltaica di Serre è la più grande d'Europa ed ha una potenza superiore ai 3 Mw Sviluppo e implementazione di metodiche diagnostiche in-line per lindustria fotovoltaica FAST-IQ Progetto finanziato da UE (V PQ) Collaborazioni industriali: RWE Scott- Solar (Germany 800 Staff, 220 M in 2004, in MW potenza)RWE Scott- Solar (Germany 800 Staff, 220 M in 2004, in MW potenza) Photowatt (France, 350 Staff, 25MW potenza in 2004)Photowatt (France, 350 Staff, 25MW potenza in 2004)

37 Analisi di danno indotto da radiazioni ionizzanti (raggi X) in rivelatori per applicazioni spaziali e elettromedicali Rivelatori di radiazione di nuova generazione (CZT) ottime prestazioni a temperatura ambiente e in formato compatto Applicazioni spaziali, mediche, di sicurezza ambientale e anti-terrorismo Collaborazione con EURORAD Strasbourg (FR), IASF e CEA Saclay(FR)

38 Celle solari flessibili a polimeri Economiche, facili da produrre Tastiera a OLED Televisore a OLED Materiali Organici

39 Emissione di luce dal Si Progetti INFM Si-Er Progetto STREP NANOPHOTO UE (VI PQ), Progetto INTAS-CERN (UE, VPQ) Collaborazione industriale: Microsharp Corporation Limited (MCL) (UK) (innovative light management technology for flat panel displays). Work in progress…

40 Ai fisici piace porsi delle domande e trovare soluzioni a ogni problema Finche in Natura ci sara qualcosa da capire, ci sara anche un fisico che cerchera di dare delle risposte Per far questo il fisico, possiede una solida formazione di base ed una grande versatilita, doti che lo rendono particolarmente prezioso nel mondo del lavoro in svariati settori

41 Dove vanno i nostri laureati? 37 laureati negli ultimi 10 anni RT=ricerca temporanea (borse, assegno, dottorato) RI =ricerca c/o università o altri enti di ricerca a tempo indeterminato RE = ricercatori estero SW=software PMI=piccola media impresa GI=grande impresa H= ospedale EcoFin= Economia e finanza Ins= insegnamento

42 Dove in particolare? Industria: –PMI piccola media impresa del territorio (regione E-R), spin-off, settore bio-medicale, sensoristica, enti spaziali (ESA) –GI grande impresa (es ST- microelectronics, sedi: CT e MI) Ricerca: –enti di ricerca italiani: INFM-CNR, ENEA, –Università straniere Economia e finanza –banche, master in marketing,..

43 Funzione a gradino arrotondata allaumento di T. Diagramma a bande: Funzione di Fermi-Dirac Probabilità di trovare un elettrone ad un certo valore di energia. Dipendenza dalla temperatura Per E E F stati vuoti


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