Interazione tra fotoni ed elettroni nei semiconduttori Corso-Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 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 *cavalcoli@bo.infn.it http://www.df.unibo.it/semiconductors

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

celle solari fotovoltaiche, LED, LASER Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Argomenti Equazioni di Maxwell nella materia, definizione dei proprietà elettriche e ottiche (Modello macroscopico e microscopico). Corso: Interazione radiazione-materia nei semiconduttori Proprietà ottiche ed elettriche dei semiconduttori Disposivi a semiconduttore, principi di funzionamento 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. celle solari fotovoltaiche, LED, LASER Laboratori: Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un semiconduttore per applicazioni sensoristiche. Misura delle proprietà ottiche di semiconduttori elementari e composti. Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori.

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

Corso Laboratorio Semiconduttori Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 1. Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un semiconduttore per applicazioni sensoristiche (Tecnica TLM). 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) Uno dei fenomeni maggiormente sfruttati èla variazione di resistività di un materiale sottoposto ad una deformazione (effetto piezoresistivo) L’effetto piezoresistivo fu scoperto da Kelvin nel 1856. I primi sensori commerciali di deformazione, costituiti da semplici fili metallici, furono introdotti nel 1936. Nel 1954 si scoprì che i semiconduttori presentano un effetto piezoresistivo molto maggiore dei metalli. Oggi si fa enorme uso di sensori di deformazione (straingauges) in campo edile, aeronautico, automobilistico, … 1. Misura della resistività e di altri parametri elettrici di un semiconduttore per applicazioni sensoristiche. La misura che verrà eseguita dagli studenti è una caratterizzazione TLM (transmission line method) che permette di estrarre parametri elettrici del campione semiconduttore preso in esame. Gli studenti caratterizzeranno elettricamente i campioni (film sottili di carburo di silicio utilizzati per sensori di pressione e sistemi micro- e nano-elettromeccanici) in modo da estrarre la resistività e la resistività specifica di contatto che sono parametri determinanti a livello di ricerca applicativa nello studio della realizzazione dei dispositivi finali. Essenzialmente gli studenti dovranno eseguire la misura delle caratteristiche corrente-tensione (I-V) al variare della distanza l tra i contatti e verificare la linearità delle curve I-V e quindi l'ohmicità del dispositivo. La caratterizzazione TLM sarà poi eseguita anche al variare della temperatura per monitorare la variazione dei parametri elettrici e per testare il materiale e i contatti ohmici a temperature ben più elevate di quella ambientale. Tali temperature ricalcano un'ottima simulazione delle condizioni ambientali nelle quali i dispositivi finali devono lavorare (es: sensori di pressione utilizzati per monitorare i livelli di idrogeno nei motori di macchine da corsa). GF = (1/) R/R GF (3C-SiC) [3-32] Il principio di funzionamento dei sensori di pressione si basa sull’effetto piezoresistivo, ossia la variazione di resistività di un materiale sottoposto ad una deformazione. L’entità della variazione è determinata dal GF.

Rtotal = 2Rc+ [r / (w t)] l 1. Tecnica TLM I vs V slope = 1 / Rtotal l Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 1. Tecnica TLM A V I vs V slope = 1 / Rtotal l d w Giallo contatto metallico Au-Ti Verde film di SiC 2.5-3 micron si Si e SiO2 R tot = serie di tutte le resistenze L varia Rtotal = 2Rc+ [r / (w t)] l t W Rc Rbulk

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

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

2.Ottiche. Principio dell’effetto fotoelettrico interno Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 2.Ottiche. Principio dell’effetto fotoelettrico interno hn>Egap hn<Egap 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 della misura Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 2.Ottiche. Principio della misura Illuminazione con fotoni di energia superiore al gap hn>Egap (l<hc/Egap) Segnale basso del sensore piroelettrico Vengono generati portatori liberi di carica: segnale alto del sensore di fotoconducibilità La luce non viene trasmessa dal campione Luce monocromatica Luce bianca

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

2. Ottiche. Dettaglio degli strumenti. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 2. Ottiche. Dettaglio degli strumenti. Gli studenti potranno effettuare misure di trasmissione ed assorbimento della luce da parte di materiali semiconduttori e/o di dispositivi basati su tali materiali. Una lampada irradia luce con spettro bianco nel visibile e nel vicino infrarosso, tramite un reticolo rotante, viene selezionata la lunghezza d'onda della luce che è inviata sul campione, un sottile cristallo semiconduttore fornito di due contatti ohmici; un sensore di luce posto dietro al campione misura la luce trasmessa attraverso il materiale, mentre un altro sensore misura le variazioni di resistività del campione dovute all'assorbimento della luce che crea coppie di portatori di carica liberi. I segnali del sensore di luce trasmessa e del misuratore di resistività sono raccolti in tempo reale da un'interfaccia elettronica, assieme al valore della lunghezza d'onda della luce. Quello che si ottiene sono gli spettri d'assorbimento e di trasmissione della luce. L'esperimento verrà ripetuto per diversi materiali (Si, Ge, GaAs...) in modo da evidenziarne le differenze. Gli studenti potranno anche rapidamente stimare, analizzando gli spettri raccolti, una delle grandezze fondamentali di un materiale semiconduttore, cioè la larghezza del gap energetico fra banda di conduzione e banda di valenza. Lampada Reticolo

3. Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori. Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO 3. Misura delle proprietà elettriche di metalli e semiconduttori. Misura di r (funzione sia della densità degli elettroni n che della loro mobilità m) vs T metalli e semiconduttori DT: 80K - 450K. Nella scatola posta sopra il dewar, quattro boccole consentono una misura delle resistenze mediante ohmetro. E' facile verificare che il metodo voltamperometrico utilizzato da un comune ohmetro per misurare una resistenza connessa tra i due terminali approssima sempre in eccesso il valore reale della resistenza. I campioni sono posti dentro un cilindretto di metallo dotato di riscaldatore e di dito freddo: e' possibile l'analisi contemporanea di 3 campioni. La temperatura nel cilindro portacampioni e' misurata con un termometro a diodo e mostrata in gradi Kelvin su un visore LCD a tre cifre sul frontale della scatola di controllo. La resistenza e' misurata [con sensibilita' di 0.1 V/W] con il metodo voltamperometrico a quattro terminali per i campioni metallici, con il metodo a 4 contatti distinti per i campioni semiconduttori. Se la temperatura supera i 420 K un interruttore elettronico a soglia spegne il riscaldamento, per evitare di danneggiare l'apparato. s =1/r = q m n

3. Elettriche. Risultati. s =1/r = q m n Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO s =1/r = q m n METALLI n costante con T, r varia perché varia la m. R cresce con T : R ≈Ro(1+βt), Ro R(0), e β=δR/(Roδt) coefficiente di temperatura del metallo. ANALISI DI CAMPIONI METALLICI Nel caso dei metalli si trova una resistenza elettrica sempre crescente al crescere della temperatura secondo una relazione all'incirca lineare: R ≈Ro(1+βt), ove Ro e' il valore a zero centigradi e β=δR/(Roδt) e' detto coefficiente di temperatura del metallo. La resistenza, per un conduttore cilindrico, uniforme e omogeneo vale R(T)=4 ρ(T)L/πD2, ove ρ e' la resistivita', A la sezione, D il diametro ed L la lunghezza. Se si riporta in un grafico l'andamento di ρ/ρ0 (ρ0 resistivita' a T=273K) in funzione della temperatura si osservano due andamenti diversi per i due metalli: lineare per il rame e quadratico per il nichel. Il comportamento per metalli ad alte T puo' essere in prima approssimazione descritto dalla relazione ρ1(T)=aT, con a=costante, ed e' verificato dall'analisi dei dati sperimentali relativi al rame. Il caso del Nichel e' lievemente diverso poiche', rispetto al Rame, per Ni la temperatura di Debye, ΘD, del cristallo e' maggiore: a T confrontabili con ΘD il meccanismo che controlla la mobilita' dei portatori e quindi la resistivita' del metallo e' lo scattering fononico anelastico che impone l'andamento ρ(T)~T5. Materiale didattico allegato: Guida all'esperienza per lo studente Manuale per il docente ANALISI DI CAMPIONI SEMICONDUTTORI L'esperimento nel caso dei semiconduttori e' piu' interessante perche' un semiconduttore drogato N si comporta come estrinseco o intrinseco, a seconda che predomini il processo di emissione di portatori dagli atomi donori o il processo di eccitazione diretta di elettroni in banda di conduzione. Mentre nel caso dei metalli la densita' di elettroni n e' praticamente costante al variare della temperatura, e quindi solo la mobilita' puo' influenzare la conducibita', nel caso dei semiconduttori l'andamento della conducibilita' in funzione della temperatura dipende dal sia della concentrazione dei portatori liberi n, sia dalla loro mobilita' µ. La figura mostra i dati sperimentali relativi all'andamento della resistenza del Ge in funzione della temperatura. A temperature basse (regime estrinseco) la conducibilita' elettrica e' determinata essenzialmente dai portatori dovuti al drogante la cui concentrazione e' costante al variare della temperatura, mentre il contributo delle coppie intrinseche e' trascurabile: il comportamento  puo' essere assimilato a quello di un metallo e la conducibilita' risulta dipendere dalla temperatura sostanzialmente come la mobilita' µ. Al crescere di T il numero di coppie di portatori intrinseci cresce rapidamente secondo la legge ni= cost exp[-Eg/(2kT)], finche' si raggiunge la condizione opposta (regime intrinseco) in cui il drogante ha effetto trascurabile. In questa zona di temperature il grafico di ln(R) vs. 1/T e' una retta di pendenza Eg/(2k): dalla pendenza della retta si ottiene come risultato Eg(0)=0.79± 0.02 eV; risultato confrontabile con il valore comunemente citato per il gap energetico del Ge estrapolato a T=0K ovvero Eg(0)=0.78 eV (see: An undergraduate laboratory experiment for measuring the energy gap in semiconductors,  Eur.J.Phys.19,123(1989)) estrinseco n da drogante, s da m intrinseco SEMICONDUTTORI Sia n che m variano con T. Due processi: estrinseco (basse T) se n dal drogante, intrinseco (alte T) n dai portatori intrinseci. Ad alte T ni crescono secondo la legge ni= 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

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

Tempi/modalità Progetto A: Corso-laboratorio per gli studenti Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Tempi/modalità Progetto 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 insegnanti 2 pomeriggi di 2-3 ore ciascuno (seminari sull’attività di ricerca), 3 pomeriggi di di laboratorio: progettazione esperimenti e preparazione di materiale multimediale. (Gennaio) Max 5 docenti, (dobbiamo già definire le date?)

Le lezioni/i seminari Le lezioni (studenti): Corso Laboratorio Semiconduttori. Progetto Lauree scientifiche, DF, UNIBO Le lezioni/i seminari 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

Resistività di contatto Area (A) J = i / A densità di corrente Corrente (i) rc = (J/V)-1 [W cm2] resistività di contatto

Processo di realizzazione dei sensori di pressione (2) Piezoresistività in 3C-SiC GF = (1/) R/R GF (3C-SiC) [3-32] dipende dalla qualità e dall’orientazione cristallografica del campione ----- dimuisce all’aumentare del doping appare costante alle variazioni di T° estensione compressione 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)